Brevet FR2471641A1 — publié le 19810619

- Dispositif d'affichage à cristal liquide. La présente invention se rapporte à un disposi- tif d'affichage comprenant un premier et un second pola- riseur sensiblement parallèles l'un à l'autre, une pre- mière, une seconde et une troisième plaque, transparentes et isolantes, disposées entre lesdits polariseurs sensi- blement parallèlement à ces derniers, une première et une seconde couche de cristal liquide nématique disposées respectivement entre la première et la deuxième et la deuxième et la troisième desdites plaques, des électrodes de commande disposées sur lesdites plaques et des moyens pour orienter les molécules de ladite première couche en contact avec la première et la deuxième plaques dans une première, respectivement une deuxième direction, et les molécules de ladite deuxième couche en contact avec la deuxième et la troisième plaques dans une troisième-, respectivement une quatrième direction, notamment en vue d'augmenter le nombre de caractères, de signes ou de sy- boles pouvant être affichés par une cellule de surface donnée. Une telle cellule est avantageusement utilisée dans des montres électroniques qui, par suite des progrès de la technologie des circuits intégrés, sont équipées d'un nombre croissant de fonctions auxiliaires, liées ou non à la mesure du temps. Ces fonctions nécessitent souvent l'affichage de caractères, de signes ou de symboles dont le nombre et la complexité dépassent les possibilités des affi- chages classiques, dont la surface utile est limitée par les dimensions usuelles d'une montre. On peut imaginer, pour résoudre ce problème, de superposer deux cellules à cristal liquide nématique tordu classiques dans chacune desquelles le plan de polarisation de la lumière qui les traverse tour- ne de 900 lorsqu'elle ne sont pas activées. Ce plan de polarisation tourne donc de 180 au total, et, pour que la cellule double soit claire lorsqu'elle est au repos, 2 4 7 16 4 1 -2- il faut que les polariseurs disposés de part et d'autre de la cellule aient des directions de polarisation paral- lèles. Du fait de cette disposition, les zones dans les- quelles les deux cellules sont activées simultanément sont également claires et présentent le nême aspect que les zones o aucune des cellules n'est activée. Ceci représente un inconvénient majeur, car si un caractère doit être formé par l'excitation simultanée d'un ou de plusieurs éléments d'affichage de l'une et d'un ou de plusieurs éléments d'affichage de l'autre cellule, les endroits o ces éléments se recouvrent sont clairs, comme les zones non excitées de la cellule. Par exemple, si une croix est affichée en excitant un élément rectiligne d'une cellule et un élément rectiligne de la seconde cellule, l'intersection des deux éléments recti- lignes est claire, et l'affichage n'est pas une croix mais une croix dont il manque le centre. Le but de la présente invention est de remédier à cet inconvénient en proposant une cellule d'affichage qui comprend une plaque avant, une plaque intermédiaire et une plaque arrière, parallèles entre elles et toutes trois isolantes et transparentes, deux couches de cris- tal liquide nématique disposées entre la plaque intermé- diaire et la plaque avant, respectivement la plaque ar- rière, et deux polariseurs disposés à proximité des faces extérieures des plaques avant et arrière de manière que leurs directions de polarisation fassent un angle de 90 a 150. En l'absence de champ électrique, les mo- lécules de cristal liquide en contact avec les plaques avant et arrière sont orientées par des couches d'ali- gnement dans des directions sensiblement parallèles à la direction de polarisation du polariseur adjacent. Les molécules de cristal liquide en contact avec la plaque intermédiaire sont orientées, toujours en l'absence de champ électrique, dans une direction qui fait, avec l'une ou l'autre des directions de polarisation, un angle sen- siblement égal à la moitié de l'angle formé par ces di- -3- rections de polarisation. Dans une telle cellule, un caractère, un signe ou un symbole présente pratiquement le même contraste s'il est formé par l'excitation de l'une ou dé l'autre ou des deux couches de cristal liquide. La figure unique du dessin annexé illustre schématiquement la construction et le principe de fonc- tionnement d'une cellule d'affichage selon l'invention. Cette cellule comporte un premier polariseur l ayant une direction de polarisation Pl, trois plaques de verre 2, 3 et 4 séparées par des-couches 5 et 6 de cris- tal liquide nématique. Les mélécules de ce cristal liqui- de ont été représentées, très schématiquement, le long de quatre axes R-R, S-S et U-U,illustrant chacun un un des quatre mode de fonctionnement de la cel- lule qui seront décrits plus loin. Un second polariseur 7, ayant une direction de polarisation P2 faisant un angle de 1200 avec la direc- Pi, est placé à l'arrière de la cellule, devant un réflec- teur-diffuseur 8. Des électrodes de commande transparentes, non représentées, sont disposées sur les faces internes 2a, respectivement 4a, des plaques 2 et 4, et des contre- électrodes, également transparentes, sont disposées sur les deux faces 3a et 3b de la plaque intermédiaire 3. Ces électrodes de commande ont la forme des éléments dont les combinaisons permettent d'afficher les caractères désirés. La face interne 2a de la plaque 2 porte en outre une couche d'alignement, non représentée, des molé- cules du cristal liquide qui se trouvent en contact avec elle. Cette couche est telle que, en l'absence de champ électrique, ces molécules ont une direction A sensiblement parallèle à la surface 2a et à la direction de polarisa- tion Pl du polariseur 1. Les faces 3a et 3b de la plaque 3 portent éga- lement chacune une couche d'alignement, qui est telle 2 47 16 4 1 -4- que, toujours en l'absence de champ électrique, les mo- lécules de cristal liquide en contact avec elles ont des directions B' et B" sensiblement parallèles entre elles et avec la plaque 3 et qui font un angle de 6.00 avec la direction A. Ces directions B' et B" serdnt simplement désignées ci-dessous par direction B. La face 4a de la plaque 4, enfin, porte égale- ment une couche qui, en l'absence de champ électrique aligne les molécules du cristal liquide en contact avec elle dans une direction C sensiblement parallèle à la plaque 4 et qui fait un angle de 600 avec la direction B. Cette direction-C fait donc un angle de 1200 avec la di- rection A, et elle est parallèle à la direction P2 de po- larisation du polariseur 2. Les angles mentionnés ci-dessus ont tous le même sens, c'est-à-dire que, si la cellule est vue en plan depuis le côté du polariseur 1, ces angles résul- tent tous d'une rotation positive à partir de la direc- tion Pl prise arbitrairement comme origine de la rotation, ou tous d'une rotation négative à partie de la même ori- gine. Il est en outre bien évident que chacun de-ces an- gles peut être augmenté ou diminué de k. 1800 o k est un nombre entier quelconque. Les plaques 2, 3 et 4 sont réunies entre elles par des entretoises scellées non représentée, qui fixent l'épaisseur des couches 5 et 6 et qui maintiennent le cristal liquide entre les plaques. Bien entendu, des moyens adéquats, également non représentés, relient et fixent entre eux les divers éléments de la cellule. La cellule peut fonctionner selon quatre modes différents qui vont être décrits ci-après_ 1. Dans les zones de la cellule qui sont au repos, c'est-à-dire dans les zones correspondant au fond de l'affichage et aux éléments d'affichage non visibles, comme par exemple dans la zone de l'axe R-R de la figu- re, aucune des couches de cristal liquide 5 et 6 n'est excitée par un champ électrique. Les molécules du cris- 2-4716 41 tal liquide prennent, dans chacune des couches 5 et 6 une structure en hélice, les directions des molécules tournant progressivement de 60 entre les plaques qui limitent ces couches tout en restant parallèles à ces plaques. La lumière qui atteint la plaque 2 après avoir traversé le polariseur 1 a un plan de polarisation paral- lèle à la direction Pl. Lorsque cette lumière traverse la couche 5, ce plan de polarisation tourne de 600 et devient parallèle à la direction B. Lorsque cette lumière traverse ensuite la cou- che 6, son plan de polarisation tourne encore de 600 et devient parallèle à la direction C, et donc à la direc- tion P2. Cette lumière peut donc traverser le deuxième polariseur 7 et atteindre le diffuseur 8, qui la réflé- chit sans modifier la direction de son plan de polari- sation. Elle retraverse donc successivement le polari- seur 7 et les couches 6 et 5, o son plan de polarisa- tion tourne à nouveau chaque fois de 60 , en sens inverse de sa rotation précédente. Cette lumière peut donc retraverser le polari- seur 1, puisque son plan de polarisation est à nouveau parallèle à la direction Pl. Si l'intensité de la lumière entrant dans la cellule est désignée par Iet en admettant que les polariseurs 1 et 7, les plaques 2, 3 et 4, le cristal liquide situé entre ces plaques, et le réflecteur 8 sont parfaits, c'est-à-dire qu'ils n'introduisent aucune absorption supplémentaires, l'intensité IRl de la lumière qui ressort de la cellule dans les conditions décrites ci-dessus est donnée par IRl o0,5 x I Cette valeur est exactement la même que la valeur de l'intensité de la lumière qui ressort d'une cellule classique à une seule couche de cristal liquide au repos. Le facteur 0,5 est dû uniquement à l'absorption par le polariseur de toutes les composantes de la lumière 247 1641 -6- incidente I dont le plan de polarisation est perpendi- culaire à la direction Pl. La cellule apparaît donc claire, dans les zones telles que-celle de l'axe R-R, à un observateur situé du côté du polariseur 1. Ces zones correspondent au fond de l'affichage et aux éléments d'affichage non visibles. En pratique, l'intensité IRl de la lumière ré- fléchie par la cellule selon l'invention est égale à 0,2 x I0 seulement. Ceci est dû au fait que les polari- seurs 1 et 7.ne laissent passer que 80% environ de la lumière polarisée parallèlement à leur direction de pola- risation. Il en est d'ailleurs exactement de même avec les cellules classiques à une seule couche de cristal liquide. 2. Dans d'autres zones de la cellule, telles que la zone située le long de l'axe S-S de la figure, un élément d'affichage doit être rendu visible, et la cou- che 5 de cristal liquide est excitée par un champ élec- trique perpendiculaire aux plaques 5 et 6 qui est créé par une tension appliquée entre une des électrodes portées par la plaque 2 et la contre-électrode portée par la fa- ce 3a de la plaque 3, alors que la couche 6-n'est pas soumise à un tel champ. Les molécules de cristal liquide de cette couche 5 situées dans cette zone s'orientent parallèle- ment à ce champ électrique et prennent donc une direc- tion perpendiculaire aux plaques-2 et 3. Elles n'ont plus aucun effet sur la direction du plan de polarisa- tion de la lumière qui les atteint après avoir traversé le polariseur 1. Ce plan de polarisation, qui est paral- lèle à la direction Pl, fait donc un angle de 600 avec la direction B des molécules de cristal liquide en con- tact avec la face 3b de la plaque 3. La lumière arrivant dans ces conditions sur ces molécules de cristal liquide peut être considérée comme étant formée de deux compo- santes Dl et D2, l'une, Dl, ayant son plan de polarisation parallèle à la direction B, l'autre, D2, son plan de -7- polarisation perpendiculaire à cette direction. Le plan de polarisation de ces deux composan- o tes Dl et D2 subit, dans la couche 6, une rotation de 60 La composante D2 a donc son plan de polarisation perpen- diculaire à la direction P2 lorsqu'elle atteint le pola- riseur 7. Ce dernier l'absorbe donc complètement. La composante Dl, par contre, traverse le polariseur 7, puisque son-plan de polarisation est parallèle à la di- rection P2. Cette composante Dl atteint donc le diffuseur 8, qui la réfléchit sans modifier la direction de son plan de polarisation. Elle retraverse le polariseur 7, la cou- che 6, o son plan de polarisation tourne à nouveau de en sens inverse de la précédente rotation, et-la cou- che 5, o son plan de polarisation ne change pas de di- rection. Ce plan fait donc un angle de 600 avec la direc- tion Pl lorsque cette composante Dl atteint le polari- seur 1. Il faut à nouveau considérer cette composante Dl comme formée de deux parties, l'une,-Dll dont le plan de polarisation est parallèle à la direction Pl, et l'autre, D12, dont le plan de polarisation est perpendi- culaire à cette direction. Cette composante D12 est ab- sorbée par le polariseur 1, alors que la composante DUl le traverse et ressort de la cellule. Pour déterminer l'intensité de la lumière qui ressort de la cellule dans les conditions décrites ci- dessus, il faut considérer séparément chaque étape de son trajet. Après le polariseur 1, l'intensité lumineuse est égale à 0,5 x I, o I est l'intensité de la lumière incidente, comme cela a été montré ci-dessus. En admettant à nouveau que tous les éléments de la cellule sont parfaits et ne présentent aucune ab- sorption parasite, l'intensité de la lumière qui a tra- versé le polariseur 1 ne varie pas jusqu'à ace que cette lumièîte atteigne la couche 6. -.. 2471641 -8- L'intensité IDl de la composante Dl de cette lumière, dont le plan de. polarisation est parallèle à la direction B, est donnée par I 0,5 x I x cos2 60 =0,125 I. Dl o 'O Il faut noter qu'il n'est pas nécessaire de calculer l'intensité de la composante D2 de cette lumiè- re, dont le plan de polarisation est perpendiculaire à B, car cette composante est absorbée par le polariseur 7 après son passage dans -la couche 6, comme cela a été - montré ci-dessus. La composante Dl traverse la couche 6 et le polariseur 7 sans que son intensité ne soit diminuée. Elle retraverse, après réflexion sur le-diffuseur 8, le polariseur 7, les deux couches 6 et 5, et atteint à nou- veau le polariseur 1 sans que son intensité diminue. Son plan de polarisation fait alors également un angle de 600 avec la-direction Pl. La composante DUl de cette lu- mière, dont le plan de polarisation est parallèle à Pl et constitue la lumière qui ressort de la cellule, a donc une intensité IDUl qui est donnée par I = COS 2 600 DlU Dlx 4 IDl = 0,5 I0 x Cos 60 = 0,03 Ion Cette intensité IDll ne représente que le 3 % de ltintensité de la lumière qui entre dans la cellule. Cette dernière est donc sombre dans les zones telles que celle de l'axe SS pour un observateur situé du côté du polariseur 1. Le contraste C entre les zones sombres et les zones claires, qui est une caractéristique importante des cellules d'affichage,, est donné d'une manière générale par: I I Rl - R2 - IRi o IR est l'intensité de-la lumière. qui ressort de la cellule dans les zones claires, et IR2 celle de la lu- mière qui ressort dans les zones sombres, qui est égale dans le cas. présent à ID11 Dans ce mode de fonctionnement, la cellule pré- sente donc un contraste 0,5 I - 0,03 I o 0,94 0,5 I A titre de comparaison, le contraste théorique présenté par une cellule classique à une seule couche de cristal liquide est égal à 1, puisque l'intensité IR2 est nulle. En pratique, dans la cellule selon l'invention l'intensité IDl est égale à 1,2. l0 2 x I0. Mais comme l'intensité IRl n'est égale que à 0,2 x I, le contraste C est encore égal à 0,94. Dans une cellule classique, IR2 est égal à 1,6. 10 3 x I0, et le contraste est égal à 0,99. La cellule selon l'invention présente donc un contraste légèrement plus faible qu'une cellule clas- sique, mais cette différence est imperceptible. 3. Dans les zones de la cellule telles que la zone située le long de l'axe T-T de la figure, o un autre élément d'affichage doit être rendu visible, les molécules de cristal liquide situées dans la couche 5 ne sont pas soumises à un champ électrique. Elles prennent donc une structure en hélice, les directions des molé- cules tournant progressivement de 600 entre les plaques 2 et 3, tout en restant parallèles à ces plaques. Dans la couche 6, par contre, les molécules de cristal liquide sont soumises à un champ électrique perpendiculaire aux plaques 3 et 4, créé par l'application d'une tension en- tre une électrode portée par la face 4a de la plaque 4 et la contre-électrode portée par la face 3b de la plaque 3. Ces molécules prennent donc une direction également per- pendiculaire aux plaques 3 et 4. Le plan de polarisation de la lumière qui a tra- versé le polariseur 1 dans cette zone tourne donc de 600 lorsque cette lumière traverse la couche 5, mais n'est plus modifié jusqu'à ce que cette lumière atteigne le de 10.- 2471641 -10- polariseur 7. Ce plan de polarisation fait donc un angle de 600 avec la direction P2. Comme ci-dessus, cette lumière peut être consi- dérée comme formée de deux composantes dont l'une, D3, a son plan de polarisation parallèle à la direction P2 et traverse donc le polariseur 7, et l'autre, D4, a son plan de polarisation perpendiculaire à la direction P2 et est donc absorbée par ce polariseur 7. La composante D3 est réfléchie par le diffu- seur 8 et retraverse le polariseur 7 et la couche 6 sans que la direction de son plan de polarisation soit modi- fiée. Cette-direction fait donc un angle de 600 avec la direction B des molécules de cristal liquide de la cou- che 5 qui sont en contact avec la plaque 3. Il faut à nouveau considérer les deux compo- santes D31 et D32 de cette lumière, dont les plans-de polarisation sont respectivement parallèle et perpendi- culaire à la direction B. Ces deux composantes traver- sent la couche 5, o leur plan de polarisation tourne à nouveau de 600. Il en résulte que le plan de polari- sation de la composante D32 est perpendiculaire à la direction Pl lorsque cette lumière atteint le polariseur 1, et que cette composante D32 est absorbée par ce der- nier. Le plan de polarisation de la composante D31, par contre, est parallèle à cette direction Pl, et cette composante ressort de la cellule. Son intensité lumineuse ID31 est égale à l'intensité IDll qui ressort de la cel- lule dans le deuxième mode de fonctionnement décrit ci- dessus, comme cela peut être facilement vérifié. La cellule est donc également sombre dans les zones telles que celle de l'axe T-T, et le contraste entre ces zones sombres et les zones claires de la cellule est le même que dans ce deuxième mode de fonctionnement. 4. Dans les zones de la cellule telles que la zone située le long de l'axe U-U de la figure, o un caractère doit être affiché par la combinaison de deux éléments d'affichage, un champ électrique perpendiculaire aux plaques 2, 3 et 4 est créé simultanément dans les deux couches de cristal liquide 5 et 6 par l'application de tensions entre des électrodes situées respectivement sur les plaques 2 et 4, et les contre-électrodes situées sur les deux faces de la plaque 3. Les molécules du cristal liquide s'orientent donc, dans les deux couches 5 et 6, selon des directions perpendiculaires aux plaques 2, 3 et 4. Le plan de polarisation de la lumière qui tra- verse cette zone n'est donc pas influencé, et il fait un angle de 1200 avec la direction P2 lorsque-cette lu- mière atteint le polariseur 7. La composante D5 de cette lumière dont le plan de polarisation est parallèle à cette direction P2, tra- verse ce polariseur 7, alors que la composante D6, dont le plan de polarisation est perpendiculaire à la direc- tion P2, est absorbée par ce polariseur 7. La composante D5 est donc réfléchie par le dif- fuseur 8, et retraverse le polariseur 7 et les deux cou- ches de cristal liquide 6 et 5 sans que la direction de son plan de polarisation soit modifiée. Lorsque cette lumière atteint à nouveau le po- lariseur 1, ce plan de polarisation fait donc un angle o de 120 avec la direction Pl. A nouveau, seule la compo- sante D51, dont le plan de polarisation est parallèle à Pl, peut traverser ce polariseur 1 et ressortir de la cellule, alors que la composante D52 dont le plan de pola- * risation est perpendiculaire à la direction Pl est ab- sorbée par le polariseur 1. Il est facile de montrer que l'intensité lumi- neuse I de cette composante D51 est donnée par D51 4 o ID51 0,5 Io x cos 120 Cette intensité I est donc égale à l'inten- D51 sité IDU calculée dans le cas du deuxième mode de fonc- tionnement, puisque cos 120 = -cos 60, et le contraste présenté par les zones telles que celle de-l'axe U-U est aussi égal au contraste présenté par les zones telles 2 4 7 164 1 - 12 - que celle de l'axe S-S; En résumé, la cellule décrite ci-dessus présente un aspect clair lorsque aucune des couches de cristal li- quide 5 et 6 n'est excitée, et un aspect sombre lorsque l'une, ou l'autre, ou les deux couches de cristal liquide sont excitées. Cet aspect sombre est dû, dans les trois cas, à l'absorption successive par chaque polariseur de la com- posante de la lumière qui l'atteint, dont le plan de po- larisation est perpendiculaire à sa direction de polari- sation. L'absorption totale est identique dans ces trois cas, et le contraste entre les parties sombres et les parties claires de la cellule est donc également identi- que. Cette cellule donne donc une grande liberté dans le choix des caractères ou des motifs à afficher, qui peuvent être commandés par des électrodes situées sur l'une ou sur l'autre des plaques, ou par une combi- naison d'électrodes situées en partie sur l'une et en partie sur l'autre des plaques. La valeur de 600 choisie dans l'exemple décrit ci-dessus pour les angles formés par les directions A, B et C, et donc la valeur de 120 de l'angle formé par les directions Pl et P2, est une valeur optimum, pour laquelle la différence de contraste entre, d'une part les deuxième et troisième mode de fonctionnement et, d'autre part, le quatrième, est nulle. Il est cependant possible de s'écarter de cet optimum et de choisir pour les deux angles formés par les directions A, B et C des valeurs comprises entre 450 environ et 750 environ, sans que la différence de contraste qui existe alors entre les différents modes de fonctionnement ne devienne gênante. Il n'est pas non plus nécessaire que les di- rections B' et B-"ldes molécules de cristal liquide en contact avec les deux faces de la plaque 3 soient rigou- reusement parallèles. L'angle formé par les directions Pl et P2 - 13 - 4 quant à lui peut simplement être choisi de manière à être sensiblement égal à la somme de ces deux angles formés par les directions A, B et C. Cette liberté dans le choix de ces différents angles simplifie beaucoup la fabrication de la cellule selon l'invention et réduit sonprixde revient. Il est évident que la cellule selon l'invention pourrait parfaitement fonctionner en transparence, c'est- à-dire sans le diffuseur 8. Le contraste serait simplement un peu moins grand, car la lumière ne subirait plus qu'une - seule absorption, dans le polariseur 7, en traversant les zones o l'une, ou l'autre, ou les deux couches de cristal liquide sont excitées. De même, les électrodes de commande pourraient être disposées sur la face 3a et/ou sur la face 3b de la plaque 3, les contre-électrodes étant alors disposées sur les faces 2a et/ou 4a des plaques 2 et 4. Ces contre- électrodes, quelles que soient les plaques qui les por- tent, pourraient être subdivisées en contre-électrodes partielles, de manière à parmettre le multiplexage de la cellule. Il est enfin sans autre possible d'afficher un caractère en rendant visibles, alternativement et à un rythme suffisamment rapide, deux éléments dont la com- binaison forme ce caractère, un des éléments étant rendu visible par une excitation de la couche 5 et l'autre par une excitation de la couche 6. - 14 - REVENDICATIOkS 1. Dispositif d'affichage comprenant un pre- mier (1) et un second polariseur (7) sensiblement paral- lèles l'un à l'autre, une première (2), une seconde (3) et une troisième plaqqe (4), transparentes et isolantes, disposées entre lesdits polariseurs (1,7) sensiblement parallèlement à ces derniers, une première (5) et une seconde couche (6) de cristal liquide nématique disposées respectivement entre la première (2) et la deuxième (3) et entre la deuxième (3) et la troisième (4) desdites plaques, des électrodes de commande disposées sur les- dites plaques et des moyens pour orienter les molécules de ladite première couche (5) en contact avec la première (2) et la deuxième plaque (3) dans une première (A), res- pectivement une deuxième direction (B'), et les molécules de ladite deuxième couche (6) en contact avec la deuxième (3) et la troisième plaque (4) dans une troisième (B"), respectivement une quatrième direction (C), caractérisé par le fait que la première direction (A) est sensiblement parallèle à la direction de polarisation (Pl) du premier polariseur (1), la première (A) et la deuxième direction (B') forment un angle sensiblement compris entre 450 et 750, la troisième direction (B") est sensiblement parallè- le à la deuxième direction (B'), la troisième (B") et la quatrième direction (C) forment un angle sensiblement compris entre 45 et 750, et la direction de polarisation (P2) du second polariseur (7) est sensiblement parallèle à la quatrième direction (C). 2. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé par le fait que lesdits angles sont sensiblement égaux, chacun, à 60 . 3. Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé par le fait qu'il comprend, en outre, un réflec- teur-diffuser (8) disposé du côté de la face extérieure du deuxième polariseur (7).