Brevet FR2350621A1 — publié le 19771202

La présente invention se rapporte au domaine des cellules de cristaux liquides et en particulier aux cellules dont le fonctionnement s'effectue selon un iodle de diffusions provoquée par l'application d'un champ électrique. Une cellule pour afficheur conforme à l'invention comporte une fine couche de cristaux liquides à l'état nématique prise entre deux électrodes formées par des plaques dont l'une au soins est transparente. Cette cellule est munie d'un aoyen d'alignement des molécules situées à l'une des surfaces de la couche de cristaux de telle façon que par le retrait ou l'application d'une diffrenoe de potentiel entre les électrodes, l'orientation des molécules d'au soins une portion de ladite couche peut être commutée soit selon une direction donnée située dans le plan qui la contient soit selon une direction perpendiculaire audit plan.L'une des surfaces principales de la couche est recouverte d'un matériau solide transparent dont l'indice de réfraction correspond soit à l'indice ordinaire soit a l'indice extraordinaire ou bien des particules dudit matériau solide transparent sont disposées dans la couche de cristaux. Les cellules de cristaux liquides a l'etat nématique de types connus ont été réalisées pour une diffusion selon le mode dynamique. Le fonctionnement par action d'un champ électrique permet ltemploi de courants et de tensions plus faibles et d'éviter quelques uns des problèmes de conduction inhérents aux cellules diffusant selon le iiode précite. Le fonctionnement d'une telle cellule repose sur le fait qu'au niveau d'une interface non traitée située entre deux diélectriques transparents, la lumière n'est seulement diffusée que si les deux diélectriques ont des indices de réfraction différents. Dans l'affir ative il y a réflexion et réfraction à l'interface sinon la lumière incidente traverse cette dernière sans déviation. Il en est de meme pour une dispersion particulaire d'un diélectrique transparent dans un autre. Un cristal liquide est un cristal uniaxial ayant son axe optique perpendiculaire à la couche de cristaux et une luoière à incidence normale se propage à une vitesse qui dépend de l'indice de réfraction ordinaire dudit cristal tandis que lorsque la direction nématique se situe dans le plan de la couche une lumière à incidence normale est divisée en deux composantes dépendant de la direction de la polarisation. Ces deux composantes se propagent à des vitesses différentes l'une de l'autre et liées respectivenent aux indices de réfraction ordinaire et extraordinaire.Si l'indice du solide transparent à surface noa traitée ou si la dispersion particulaire correspondent à l'indice ordinaire du cristal, l'afficheur ne diffusera pas dans le cas d'une lumière à incidence normale à la couche et où l'alignement est homéotropique (direction nématique perpendiculaire au plan de la couche) nais si l'alignement est homogène (direction nématique située dans le plan de la couche) il diffusera pourvu qu'au moins une composante se propage d la vitesse du rayon extraordinaire. Si par contre l'indice dudit solide correspond à l'indice de réfraction extraordinaire, l'afficheur diffusera dans le cas d'une l-ire présentant les caractéristiques précitées lorsque 1' alignoient moléculaire est homéotropique. Pour qu'il n'y ait pas diffusion lorsque l'alignement est autre, la lumière incidente doit se propager à une vitesse égale à celle du rayon extraordinaire. Afin de satisfaire cette condition elle doit etre plane et polarisée et la direction nématique, située dans le plan de la couche, orientée selon le plan de polarisation de la lumière incidente. L'invention s'appuie également sur certaines autres caractéristiques des cristaux liquides à l'état n'pratique selon lesquelles le comportement d'une cellule comportant une fine couche d'une substance de tels cristaux dépend de l'alignement des molécules constituant ladite couche. Le fonction- nement de ces cellules activées par un champ électrique repose sur le passage d'une ou plusieurs parties de la couche d'un alignement dit homéotropique (selon lequel les grands axes des molécules sont perpendiculaires an plan de la couche) à rm alignement dit homogène et parallèle (selon lequel & les niveaux les grands axes des molécules sont parallèles au plan de la couche).Dans une cellule à état nématique en hélice, l'aligee"'ent homogène et parallèle s'effectue selon une direction pour un niveau donné de ladite couche et selon une direction différente pour un autre niveau. Ce changement de direction est donc proportionnel à la profondeur. Cette invention traite de la fabrication de cellules procurant un alignement homogène et aléatoire, état selon lequel les molécules sont toujours parallèles au plan dans lequel est située la couche nais dont les directions des grands axes sont différentes les unes des autres pour chaque niveau. Un tel alignement peut etre obtenu par traitement de la face interne de l'enveloppe contenant la substance de cristaux liquides. Ce traitement consiste à recouvrir cette face d'un agent tensio, actif. D'autre part, dans le cas d'une substance à l'état nématique présentant une anisotropie diélectrique négative, l'alignement homogène et aléatoire peut etre obtenu dans certains cas par l'application d'un champ électrique d travers une couche dont les molécules, à l'origine, présentent un alignement homéotropique. Conformément à la présente invention il est donc aussi présenté une cellule pour afficheur comportant une fine couche de cristaux a tat nématique prise entre deux électrodes formées par des plaques dont l'une au moins est transparente, qui est munie d'un moyen d'alignement de surface pour la couche de cristaux de telle façon que par ie retrait ou l'application d'une différence de potentiel entre les électrodes, l'orientation des grands axes des molécules d'au moins une partie de la couche peut passer d'un alignement homéotropique à un alignement homogène et aléatoire. L'invention sera maintenant mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, en se reportant aux figures annexées qui représentent : - la figure 1, une vue en coupe d'une cellule dans laquelle il a été procédé à une dispersion particulaire dans la substance de cristaux liquides ou bien dans laquelle une des faces en contact avec ladite substance est traitée afin de présenter une certaine rugosité - la figure 2, un tableau récapitulatif des états possibles de la cellule en fonction de différents paramètres. Selon la figure 1 deux lames de verre 10 et ll sont maintenues à équidistance par un joint périphérique 12 formant ainsi une enveloppe contenant une fine couche 13 de cristaux liquides à l'état nématique. Le joint périphérique est réalisé de préférence en verre fritté bien qu'il soit également possible d'utiliser de la résine époxyde ou un matériau thermoplastique. Les deux surfaces intérieures des lames sont munies d'électrodes transparentes 14 et 15 généralement en oxyde d'indium et d'étain. Ces électrodes se chevauchent au moins en partie pour réaliser une ou plusieurs figures pouvant etre affichées par la cellule. L'une au moins des surfaces intérieures est traitée de telle façon qu'en l'absence d'un champ électrique elle confère à la substance à l'état nématique une orientation particulière. Dans le cas d'un cristal liquide présentant une anisotropie diélectrique négative, ce traitement de surface doit etre tel qu'il procure un alignement homéotropique en l'absence de champ électrique mais doit également conférer une orientation privilégiée pour réaliser un alignement dans le plan de la couche en présence d'un champ électrique suffisamment important. Ces conditions peuvent etre obtenues tout d'abord en donnant une direction privilégiée selon le plan de la couche, soit par évaporation oblique soit par abrasion, afin de réaliser un bon état de surface, et conférer ainsi un alignement homéotropique par recouvrement de la surface traitée d'un agent tensioactif. Dans le cas d'un cristal liquide présentant une anisotropie diélectrique positive, le traitement de surface doit être tel qu'en l'absence d'un champ électrique il confère un alignement homogène et parallèle selon une direction privilégiée située dans le plan de la couche. Ce traitement consiste à donner une fine texture de surface obtenue par exemple également par abrasion ou évaporation oblique. De fines particules d'un corps solide transparent dont l'indice de réfraction correspond soit à l'indice ordinaire soit à l'indice extraordinaire sont dispersées dans la substance de cristaux liquides. Le comportent de la cellule varie suivant que l'anisotropie est positive ou négative et suivant l'indice de réfraction choisi. Lorsqu'un afficheur est excité, une ou plusieurs régions de la couche de cristaux liquides seront alignées homéotropiquement tandis que les régions restantes seront alignées de façon homogène et parallèle. Dans les régions alignées homéotropiquement la lumière traversera la couche à une vitesse de propagation unique correspondant à l'indice de réfraction ordinaire. Pour les autres la lumière sera généralement divisée en deux composantes se propageant à des vitesses différentes : le rayon ordinaire et le rayon extraordinaire. Si l'indice de réfraction de la dispersion particulaire correspond à l'indice de réfraction ordinaire, les régions alignées homéotropiquement auront un aspect clair afin qu'il y ait un contraste apparent entre ces régions et les autres et l'éclairage doit être tel qu'il comporte une composante extraordinaire qui sera diffusée. Cette condition sur l'éclairage est satisfaite si la lumière n'est pas polarisée mais dans le cas d'une polarisation rectiligne il faudra prendre soin de s'assurer que la direction nématique n'est pas perpendiculaire au plan de polarisation (plan contenant le vecteur induction) car il n'y aurait production d'aucune composante extraordinaire. Si l'indice de réfraction de la dispersion particulaire correspond à 1 indice de réfraction extraordinaire, les régions alignées homérotropiquement auront un aspect trouble entrainant la diffusion de la lumière, diffusion due à la désadaptation entre indices. Pour réaliser un contraste visible, les autres régions devront etre claires. Cela signifie que l'onde lumineuse polarisée de façon rectiligne doit etre telle que son plan de polarisation soit perpendiculaire à la direction de l'alignement nématique. Ces différentes conditions en fonction des systèmes possibles apparaissent dans le tableau de la figure 2. Dans une autre version de la cellule, la dispersion particulaire dans la couche de cristaux liquides n'est pas utilisée mais remplacée, toujours afin d'obtenir un état diffusant, par le traitement de la surface interne d'au moins l'une des lames 10 et il pour réaliser une texture grossière. Cette cellule ne diffuse que dans le cas d'une différence d'indice de réfraction à l'interface. La texture deviendra invisible si la surface de la lame se trouve en contact avec un liquide ayant le meme indice de réfraction. Cette lamelle est réalisée à partir d'un verre ayant un indice de réfraction correspondant soit à l'indice ordinaire soit à indice extraordinaire du cristal liquide. D'antre part, la lamelle peut avoir sa surface interne revêtue d'un fils présentant une face lisse cotez lamelle et une face à texture grossière de l'autre. Dans ce cas celui-ci doit avoir un indice de réfraction adapté nais il n'en est pas de meme pour la lamelle. Selon une seconde réalisation conforte à l'invention deux laies de verre 10 et li sont maintenues à équidistance parut joint périphérique 12 formant ainsi une enveloppe contenant une fine couche 13 de cristaux liquides à l'état nématique. Les deux surfaces intrieures des lames sont munies d'électrodes transparentes 19 et 15 généralement en oxyde d'indium et d'étain. Ces électrodes se chevauchent au moins en partie pour réaliser une ou plusieurs figures pouvant etre affichées par la cellule L'une au soins des surfaces intérieures est traitée de telle façon qu'en l'absence d'un chai; électrique elle confère à la substance à l'état nématique une orientation particulière. Dans le cas d'une substance à ltétat nématique présentant une anisotropie diélectrique positive cet alignement doit être gazogène et aléatoire et le traitement de surface consiste à la revetir d'un agent tensioactif, par exemple du chloro trimethyle silane. Dans le cas d'une anisotropie diélectrique négative l'alignement doit etre homéotropique et un autre type d'agent tensioactif tel que de lthexadécyle triméthyle aroonium broute devra etre employé.On veillera à ce que la texture de surface ne tende pas à favoriser un alignement homogène et parallèle en présence d'un chai; électrique et également à ce que le dépot de l'agent tensioactif soit effectué de telle façon qui ne favorise en aucun cas un alignement hone-otropique imparfait sinon le système risquerait de passer à un alignement homogène et parallèle au lieu d'un alignement homogène et aléatoire. Ces deux versions d'afficheurs exploitent les différences d'aspect existant entre les régions où les molécules sont alignées homéotropiquement et celles où l'alignement est homogène et aléatoire. Ces dernières sont troubles de par la diffusion due aux différentes orientations des molécules tandis que les précédentes sont claires de par le fait que les molécules sont orientées dans la meme direction. Une des différences les plus significatives entre ces deux cellules réside dans le fait qu'en présence d'un chai; électrique celle qui présente une anisotropie diélectrique positive a un aspect clair, tandis que celle qui présente une anisotropie diélectrique négative est trouble. Puisque la diffusion n'est pas du type dynamique il n'y a pas nécessité d'un courant circulant à travers la cellule et par là meme d'un quelconque dopant pour accroitre la conductivité. La coaaeande par effet de champ permet donc l'emploi de courants et tensions plus faibles évitant ainsi certains des inconvénients liés au fonctionnement dynamique. I1 est bien évident que la description qui précède n'a été donne qu'à titre d'exemple non limitatif et que de nombreuses variantes peuvent être envisagées sans sortir pour autant du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Cellule d'afficheur comportant une fine couche de cristaux liquides à l'état nématique prise entre deux électrodes formées par des plaques dont une au moins est transparente, ladite cellule é art munie d'un dispositif d'alignement des molécules situées à la surface de a couche de cristaux tel que par le retrait ou l'application d"re différence de potentiel entre les lectrodes, les molécules d'au moins une portion de la couche peuvent etre commutées soit selon une direction donnée située dans le plan qui la contient soit selon une direction perpendiculaire audit plan, caractérisée par le fait que l'une des deux surfaces principales de ia couche est recouverte d'un matériau solide transparent dont l'indice de refract-os correspond soit à l'indice or^nai- soit à l'indice extraordinaire des cristaux liquides ou que des parti oIes dudit matériau solide transparent sont dispersées dans la couche de cristaux. 2. Cellule d'afficheur conforme à la revendication l caractériseo par le fait que le cristal liquide présente une anisotropie diélectrique positive en l'absence d'un champ électrique entre les plaques et que le dispositif d'alignement confère aux grands axes des molécules une orientation homogène et parallèle. 3. Cellule d'afficheur conforme à la revendication l caracterisée par le fait que le cristal liquide présente uce anisotropie diélectrique négative et qu'en l'absence d'un champ électrique entre les plaques le dispositif d'alignement confère aux grands axes des molécules un alignement homéotropique. 4. rellule d'afficheur comportant une couche de cristaux liquides à l'état nématique de hante résistivité prise entre deux électrodes formées par des plaques dont une au moins est transparente, ladite cellule étant munie d'un dispositif d'alignement des molécules situées à la surface de la couche de cristaux, caractérisée par le fait que par l'application ou le retrait d'une différence de potentiel les molécules d'au moins une portion de la couche peuvent passer d'un alignement homéotropique a' un alignement homogène et aléatoire.