Brevet FR2383494A1 — publié le 19781006

La présente invention concerne les dispositifs à cristaux liquides et a notamment pour objet un procédé de fabrication de dispositifs à films de cristal liquide nématique utilisant les effets de champ et employés dans les dispositifs indicateurs (notamment les montres-bracelets, les petites calculatrices), les modulateurs optiques, les systèmes matriciels d'affichage lumineux0 A l'heure actuelle les dispositifs à cristaux liquides et en particulier les dispositifs d'affichage d'informations trouvent des usages de plus en plus étendus, et leur avenir prometteur s'explique par leur faible consommation d'énergie, leur basse tension de fonctionnement et la possibilité de les associer directement à des circuits intégrés, Les dispositifs à cristaux liquides nématiques sont réalisés sous forme d'une cuvette plane constituée de deux lames parallèles en verre, sur les surfaces intérieures desquelles sont déposées des électrodes en matière électrodeconductrice transparente, notamment en oxyde d'étain. La surface des lames portant les électrodes subit un traitement spécial qui permet de réaliser l'orientation homogène requise des molécules de cristal liquide à la surface des lames et au sein du film de cristal liquide0 Cette orientation homogène est telle que les grands axes des molécules du cristal liquide à la surface des lames sont orientés parallèlement aux lames, les orientations des axes des molécules des deux lames formant la cuvette étant ordinairement orthogonales. Après assemblage de la cuvette on la remplit de cristal liquide. Le film de cristal liquide formé de la sorte (en règle générale d'une épaisseur de 5 à 20 microns) est le milieu actif dont les caractéristiques optiques (angle de rotation du plan de polarisation) se modifient sous l'effet du potentiel électrique appliqué aux électrodes0 La modification des caractéristiques optiques est enregistrée dans des éléments de polarisation croisés qui sont généralement montés sur les surfaces extérieures de la cuvette0 Toutefois, les éléments de polarisation collés à l'extérieur de la cuvette subissent l'influence des conditions climatiques (humidité, température), ainsi que de facteurs mécaniques, ce qui eciUque w au cours de la fabrication des dispositifs à cristaux liquides, des mesures spéciales doivent être prises pour protéger les éléments polarisantsO Ces mesures additionnelles compliquent les dispositifs et en accroissent le coût, sans apporter une solution radicale aux problèmes soulevés, On connait d'autre part un procédé de fabrication de dispositifs à films de cristal liquide nématique, dans lequel il est possible de disposer les éléments polarisants à l'intérieur de la cuvette0 La succession des principales opérations dans la fabrication des dispositifs à cristaux liquides suivant le procédé mentionné est la suivante. Après confection des lames des cuvettes et dépôt par atomisation, sur ces lames, d'électrodes transparentes de géométrie requise délimitant le film de cristal liquide et destinées à coopérer avec le cristal liquide, on applique une solution d'un polymère dont les molécules ont une longue channe linéaire, notamment d'un alcool polyvinylique0 Ensuite on soumet la solution de polymère à une déformation de cisaillement, notamment par passage d'une raclette de caoutchouc sur la solution, le long de la surface des lames0 Au cours de cette opération les channes de molécules polymères linéaires se disposent en rangées orientées suivant la direction du mouvement de la raclette, en formant à la surface des lames des matrices pour l'orientation homogène du cristal liquide. Ensuite on dessèche le film polymère formé : on évapore le solvant tout en maintenant l'orientation des channes de molécules polymères, et ce n'est qu'ensuite qu'on effectue le traitement du film par des colorants qui lui confèrent les propriétés dtun élément polarisant0 On peut y parvenir de deux manières : soit par imprégnation en volume du film polymère par des vapeurs ou une solution d'iode, soit par dépôt d'une substance dichroïque quelconque du type colorant organique (aucun détail n'est donné à ce suet dans le brevet relatif à ce procédé)0 La coloration du film polymère est suivie des opérations traditionnelles de la confection des dispositifs à cristaux liquides assemblage des cuvettes, leur remplissage de cristal liquide et leur fermeture étanche. Toutefois, dans ce procédé connu de confection des dispositifs à cristaux liquides à éléments polarisants intérieurs, le dépôt des éléments polarisants sur les surfaces intérieures des lames decuvettes est compliqué et comprend, à titre d'opérations principales, 11 application d'un film polymère et sa teinture par un colorant dîchrolque0 C'est cette dernière opération qui pose le plus de problèmes. Bien que l'imprégnation du film polymère par les vapeurs ou la solution d'iode soit capable de lui conférer les caractéristiques d'un élément polarisant, elle est pratiquement inacceptable, car, après la fabrication du dispositif, l'iode passe partiellement dans le film de cristal liquide (l'iode est en effet facilement soluble dans le cristal liquide). La dissolution de l'iode diminue le contraste et, en outre, augmente considérablement l'absorption d'énergie par le dispositif, puisque l'iode est un vecteur efficace de courant dans le cristal liquide.La teinture du film polymère par le colorant dichrorque, avec maintien de l'orientation des molécules polymères linéaires et des molécules de colorant dîchrolque, et de la valeur requise d'absorption de lumière et du taux de dichroisme, est une opération laborieuse, qui n'est d'ailleurs pas décrite dans ledit brevet, On s'est donc proposé de créer un procédé de fabrication de dispositifs à films de cristal liquide nématique, qui permettrait d'obtenir de tels dispositifs pourvus d'éléments polarisants intérieurs sans devoir recourir à des opérations technologiques compliquées, et qui seraient caractérisés par un niveau de contraste élevé de l'image et par une faible absorption d'énergie. La solution à ce problème consiste en ce que, dans un procédé de confection de dispositifs à films de cristal liquide nématique, comprenant la fabrication de lames de cuvettes, la création, sur celles des surfaces desdites lames qui sont destinées à coopérer avec le cristal liquide, d'électrodes transparentes, de matrices pour l'orientation homogène du cristal liquide et d'éléments polarisants, l'assemblage desdites lames en cuvettes, le remplissage des cuvettes par un cristal liquide et la Sermfflre étanche desdites cuvettes, suivant l'inventionsla la création des matrices pour l'orientation homogène du cristal liquide et des éléments polarisants se fait simultanément par dépôt sur les lames d'un gel de colorant dichroïque d'une concentration de 1 à 30% en poids, par traitement mécanique subséquent dudit gel pour la création d'un film et d'un gradient de vitesse, suivant son épaisseur, de 102 à 107 s 1, et élimination du solvant à partir dudit film, il est avantageux d'effectuer le traitement mécanique par centrifugeage des lames, portant le dépôt de gel de colorant dichrolque, avec une accélération de 100 à so.ooomis 20 il est également possible d'effectuer ledit traitement mécanique par déplacement linéaire d'une raclette en matériau solide ou élastique sur le gel de colorant dichrolque, parallèlement à la surface de la lame de cuvette. Pour débarrasser le film du solvant il est avantageux de le souffler avec un gaz à une température de 20 à 1500C. il est particulièrement avantageux de choisir le colorant dichrolque dans la série des colorants azoïques. Le procédé de confection de dispositifs à filmsde cristal liquide nématique, suivant la présente invention, permet d'obtenir, sans avoir recours à des opérations technologiques compliquées (ledit procédé ne prévoit pas, en particulier, l'opération laborieuse de teinture du film pour l'obtention de l'élément polarisai un dispositif à cristaux liquides à disposition intérieure d'éléments polarisants, caractérisé par un niveau de contraste élevé de l'image, une faible consommation d'énergie et une longue durée de vie. Avec un tel procédé de fabrication du dispositif, l'orientation des molécules de cristal liquide au voisinage des films de gel est déterminée par l'orientation de la disposition des molécules de colorant dichroïque dans l'élé- ment polarisant, ce qui signifie que, en une seule opération, on crée simultanément la matrice pour 11 orientation homogène du cristal liquide et l'élément polarisant. L'invention est expliquée dans ce qui suit, par la description de différents modes de réalisation non limitatifs illustrés par les dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique en perspective illustrant l'opération de formation d'un film de gel de colorant dichroSque; - la figure 2 est une vue en coupe suivant II-II de la figure 1 et une épure des vitesses dans le film de gel de colorant dichroique; - la figure 3 indique la disposition des lames de cuvettes sur un châssis en forme de disque lors de la formation du film de gel par centrifugeage;; - la figure 4 est une vue en coupe transversale d'un dispositif à film de cristal liquide nématique, confectionné par le procédé de l'invention0 On fabrique les dispositifs à cristaux liquides suivant le procédé de l'invention en effectuant successivement les opérations suivantes, On confectionne à partir d'une matière solide, par exemple de verre, des lames 1 (figure 1) de la cuvette du dispositif à cristal liquide, Ensuite, à partir d'une matière conductrice transparente (notamment d'oxyde d'étain SnO ou d'oxyde d'indium InO), sur celles des surfaces des lames 1 qui sont destinées à coopérer avec le cristal liquide on crée des électrodes 2 par atomisation cathodique sous vide ou par décomposition thermique d'un agent volatil, notamment de tétrachlorure d'étain $ni14, dans une atmosphère dont l'un des constituants est l'oxygène0 On assure la géométrie requise des électrodes 2 par un procédé photolithographique ou par masquage au cours de la formation des électrodes transparentes 2o Après avoir débarrassé chaque lame 1 des poussières minérales, notamment au moyen de détergents et d'un traitement aux ultra-sons, et des polluants organiques, notamment par lavage dans des solvants organiques ou par traitement avec décharge de plasma, on dépose sur la surface de la lame 1 portant les électrodes transparentes 2 une goutte de gel non orienté de colorant dîchroique 3o On choisit la concentration du gel de colorant dichroïque 3 dans l'intervalle de 1 à 30% en poids, et on choisit la dose (quantité) de gel 3 de telle manière que, avec une répartition uniforme non orientée des molécules de gel 3 à la surface de la lame 1, la lame soit traversée par O à 90% de la lumière incidente.Ensuite on soumet le gel 3 à un traitement mécanique pour former à la surface de la lame 1 un film 4 et pour créer, suivant son épaisseur, un gradient de vitesse de 102 à 107 s 10 Ledit traitement mécanique peut être réalisé par déplacement linéaire d'une raclette rectangulaire 5 en matière solide ou élastique sur la surface du gel 3, parallèlement à la surface de la lame 1 de la cuvette, dans le sens indiqué par la flèche 6o Le film 4 de colorant dichroïque formé de la sorte a une structure moléculaire ordonnée et constitue un élément polarisant dont la direction de polarisation est déterminée de façon univoque par la direction des forces de cisaillement au cours de la préparation du film 40 L'épure des vitesses Vx dans le film 4 de gel, lors du déplacement de la raclette 5, est représentée sur la figure 2o L'axe Z est orienté perpendiculairement à la surface de la lame 1. Pour créer des conditions standard de formation du film 4 (figure 3), il est avantageux de pratiquer un centrifugeage des lames portant le gel 3 avec une accélération de 100 à 500000m/s20 il est important de disposer les lames 1 sur un châssis 7 en forme de disque, à une distance de l'axe de rotation 8 dépassant de préférence de 5 à 7 fois les dimensions géométriques des lames 1 0 A titre de colorants dichrorques on peut mettre en oeuvre des colorants ayant une structure moléculaire anisotrope, notamment la chrysophénine, le jaune brillant, le bleu immédiat Nos4, la benzopurpurine, l'orangé immédiat résistant à la lumière NoO5k, le bleu-noir acide, etcO Le choix du colorant dépend par exemple de la coloration requise des éléments polarisants0 A titre de solvant il est préférable d'utiliser de l'eau, mais on peut utiliser également des mélanges d'eau avec des solvants organiques0 Pour obtenir l'épaisseur requise du film 4 on emploie des gels de colorant à teneur en colorant de 1 à 30% en poids0 On obtient les meilleurs résultats en utilisant des colorants azoïques, notamment la benzopurpurineç On élimine le solvant :du film 4 par séchage à température élevée (jusqu'à îso0c). il est préférable d'éliminer le solvant par soufflage de la lame 1 (portant le film 4) avec de l'air ou tout autre gaz non corrosif, à une température de 20 à 1500C. En cas de besoin, les lames I portant les éléments polarisants (le film 4) .peuvent être traitées par une solution de sel complexant ou d'acide afin de modifier la coloration. Lorsque de telles lames 1 sont disposées l'une au-dessus de l'autre avec une orientation parallèle de la polarisation des éléments polarisants, elles sont transparentes, tandis que si la polarisation est orientée perpendiculairement (croisée à 900), elles sont intensément colorées dans la teinte du colorant, En utilisant deux lames 1 obtenues de cette manière, on assemble, par un procédé connu, une cuvette que l'on remplit de cristal liquide 9 (figure 4) à anisotropie diélectrique positive, et que l'on ferme ensuite d'une manière étanche. Les joints d'étanchéité 10 peuvent être confectionnés en verre fritté ou en résines organiques hétéroatomiques insolubles dans le cristal liquide. Dans ce procédé de fabrication de la cuvette, ltorienta- tion des molécules du cristal liquide 9 au voisinage de la surface des films 4 est déterminée par l'orientation de la disposition des molécules du colorant dichroïque formant l'élément polarisant (film 4). Lorsqu'on applique un potentiel électrique aux contacts de connexion extérieure Il reliés aux électrodes transparentes 2, les caractéristiques optiques du film de cristal liquide nématique 9 varient de manière que les zones situées sous les électrodes transparentes 2 deviennent plus denses du point de vue optique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture des exemples de réalisation concrets mais non limitatifs décrits ci-après. Exemple 1 On taille dans du verre en feuilles d'une épaisseur de 1mm des lames 1 de 10 x 20 mm, on dépose sur celles-ci des couches électroconductrices transparentes d'oxyde d'étain par atomisation cathodique. Ensuite, par un procédé ordinaire de photolithographie, on confère aux électrodes transparentes 2 la géométrie requise0 On élimine la matière photosensible ou "photoresist" et on nettoie la surface des lames 1 des poussières et des polluants organiques0 Apres ces opérations on dépose à la surface des lames 1 portant les électrodes 2 une couche de gel 3 préparée de la manière suivante, On dissout, sous chauffage, une portion pesée de colorant chrysophénine (1 gramme) dans 40 cm3 d'eau distillée et on en réduit le volume à 20 cm3 par évaporation0 On refroidit rapidement la solution obtenue jusqu'à 10 à 150C0 On soumet la masse obtenue à un centrifugeage avec une accélération de 5o000m/s2 pendant 25 minutes; il se produit alors une séparation en une couche surnageante sous forme d'une solution et en une couche inférieure sous forme de gel.On décante la solution et on utilise le gel pour en former un dépôt sur les lames lo A cet effet on applique la quantité requise de gel 3 sur la lame 1 pourvue des électrodes 2, on pose dessus une lame de verre poli que l'on déplace parallèlement à l'une des faces des lames lo On obtient un film 4 que l'on chauffe à l'air à la température de 1500C pendant 15 à 20 minutes On obtient un élément polarisant de couleur jaune Pour lui conférer une coloration brune on maintient l'élément polarisant pendant 5 minutes dans des vapeurs d'acide chlorhydrique et on sèche pendant 15 à 20 minutes à la température de 1500C. Deux lames 1 ainsi obtenues, pourvues d'éléments polarisants à disposition normale (perpendiculaire) des axes de polarisation, sont utilisées pour confectionner une cuvette que l'on remplit ensuite de cristal liquide nématique 9 à anisotropie diélectrique positive, et que lson ferme ensuite d'une manière étanche, La consommation spécifique d'énergie électrique du dispositif d'affichage lors de son excitation est inférieure à 1 lit par cm2 de surface des électrodes 2o Exemple 2 On prépare d'une façon analogue à celle de 1' exemple 1 des lames 1 comportant des électrodes transparentes 2 et un gel de colorant azoSque dîchrolque tel que la benzopurpurineO Ensuite on dispose les lames de verre 1 de façon que leurs plans reposent sur la surface intérieure d'un châssis conique 7 pouvant être mis en rotation autour de l'axe de symétrie 8. L'angle formé par la génératrice du cône de châssis 7 avec l'axe de rotation 8 est de 870, l'axe de rotation 8 étant orienté verticalement (suivant un fil à aplomb). Le centre de chaque lame 1 est disposé à une distance de 12 cm du centre du châssis 7 (les dimensions des lames étant de 10 x 20 mm).Ensuite, à l'aide d'un pinceau ou d'un pulvérisateur, on applique sur la surface des lames 1 destinées à réagir avec le cristal liquide une couche de gel 3 de colorant dont l'épaisseur peut être non homogène et varier entre 20,0 et 200,0 microns0 Ensuite on met le châssis 7 en rotation jusqu'à une vitesse de 800 tr/mnO Lors du centrifugeage, gracie à la viscosité du gel 3, il se forme à la surface des lames 1 un film orienté 4 d'épaisseur uniforme (environ 10 microns) de gel 3 de colorant, qui, pendant la rotation du châssis 7 sèche rapidement, son épaisseur se réduisant alors à une valeur de 2 à 5 microns. Après l'arrêt du châssis 7 on porte les lames 1 au thermostat à 1400C pendant 15 minutes. On obtient un élément polarisant de couleur pourpre ou bleue, A partir de deux lames 1 ainsi obtenues, pourvues d'éléments polarisants, on assemble par un procédé connu une cuvette 4 et on la remplit de cristal liquide à anisotropie positive0 Le contraste des images des symboles par rapport au fond atteint 7 à 16. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits, ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre'dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS - - O ~ ~ ~ ~ ~ ~ 0O - 1. Procédé de fabrication de dispositifs à films de cristal liquide nématique, du type comprenant la confection de lames de cuvettes, la formation, sur celles des surfaces des lames qui sont destinées à coopérer avec le cristal liquide, d'électrodes transparentes, de matrices pour l'orien- tation homogène du cristal liquide, et d'éléments polarisants, l'assemblage desdites lames en cuvettes, le remplissage desdites cuvettes de cristal liquide, etla ferature étanche de celles-ci, caractérisé en ce que les matrices pour l'orientation homogène du cristal liquide et les éléments polarisants sont réalisés simultanément, en appliquant sur les lames un gel de colorant dichrolque d'une concentration de 1 à 30% en poids, en soumettant ensuite ledit gel à un traitement mécanique pour créer un film avec un gradient de vitesse, suivant son épaisseur de 102 à 107 s-1, et en éliminant le solvant contenu dans le film, 2. Procédé de fabrication de dispositifs à films de cristal liquide nématique, suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le traitement mécanique des lames comportant ledit gel de colorant dichroïque est effectué par centrifugeage, avec une accélération de 100 à 50.000m/s2. 3. Procédé de fabrication de dispositifs à films de cristal liquide nématique, suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on effectue le traitement mécanique en déplaçant une raclette en matière solide ou élastique en un mouvement linéaire sur le gel de colorant dichrolque, parallèlement à la surface de la lame de cuvette0 4. Procédé de fabrication de dispositifs à films de cristal liquide nématique, suivant l'une des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce qu'on élimine le solvant du film en soufflant celui-ci avec un gaz à une température de 20 à 150 C. 5e Procédé de fabrication de dispositifs à films de cristal liquide nématique, suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on choisit le colorant dichroïque dans la série des colorants azofqueso 6. Dispositif à film de cristal liquide nématique, caractérisé en ce qu'il est obtenu par le procédé suivant l'une des revendications 1 à 5o