Brevet FR2483106A1 — publié le 19811127

L'invention concerne, d'une manière générale, les cellules d'affichage à cristaux liquides et a, plus particu- lièrement, trait à un nouveau procédé permettant d'obtenir un alignement superficiel homéotrope dans des cellules d'affichage à cristaux liquides. Pour un grand nombre de cellules d'affichage à cristaux liquides, il est souhaitable que soit obtenu un alignement superficielhoméotrope aux limites entre les cristaux liquides et les électrodes et surfaces des substrats délimitant la cellule. Par exemple, dans une cellule à cristaux liquides dichroiques fonctionnant par reflexion et utilisant la transi- tion cholestériqueAématique, un alignement homéotrope super- ficiel se traduit par une cellule qui, non seulement, a une tension de seuil relativement faible pour la transition souhaitée du matériau d'affichage, mais également, a, au repos, un aspect plus uniforme pour l'observateur, pratiquement sans effets défavorables dus à l'absorption par la cellule de la lumière polarisée parasite. Dans ce type de cellule, la "texture focale conique", qui est présente immédiatement après qu'un segment d'affichage ait été désexcité, est prévue avec une absorbance plus proche de celle due à l'état de repos homéotrope de sorte que l'aspect global de l'affichage en est amélioré. On sait également que cette condition d'alignement homéotrope peut s'obtenir par absorption d'un agent tensio-actif sur les surfaces intérieures de la cavité du dispositif d'affichage, ou par addition d'agents tensio-actifs aux cristaux liquides, de sorte que, lorsque la cellule est remplie, les molécules polaires d'agent tensio-actif soient absorbées à la surface des parois intérieures de la cellule pour que soit obtenue la condition d'alignement homéotrope. Mais l'utilisation d'additifs dans les cristaux liquides tend à accroître la conductivité de ce matériau, ce qui augmente le courant et l'énergie nécessaires pour commuter les états optiques du dispositif. Pour certaines applications, l'utilisation de certains agents tensio-actifs, tels que les agents de couplage au silane, peut être acceptable. Mais pour d'autres applications requérant une cellule d'affichage parfaitement hermétique, ce qui ne peut être obtenu que par l'utilisation d'un scellement périphérique en fritte de verre, le matériau de scellement en fritte de verre doit être amené à une température se situant entre 500'C et 550'C environ, ce qui est bien supérieur à la température de l'ordre de 250'C à laquelle les agents tensio- actifs disponibles se décomposent. Il a donc été impossible jusqu'alors d'obtenir de manière reproductible un alignement homéotrope dans les cellules qui doivent être rendues parfai- tement hermétique et dans lesquelles on utilise à cette fin des scellements en fritte de verre. Il est donc très souhaitable de mettre au point un procédé d'alignement homéotrope pour cellules d'affichage à cristaux liquides avec scellements en fritte de verre pouvant être fabriquées en série. Conformément à l'invention, on obtient un alignement homéotrope dans une cellule à cristaux liquides entre les cris- taux liquides et les électrodes et surfaces intérieures des substrats délimitant la cellule, en fabriquant d'abord une cellule vide et en utilisant à cette fin le matériau de scellement périphérique à haute température requis, puis en remplissant la cavité de la cellule avec la solution requise d'agent tensio-actif dans un solvant porteur volatil. La cellule remplie est alors soumise à un traitement tel que le solvant porteur volatil s'évapore, l'agent tensio-actif se déposant sur les surfaces intérieures de la cavité de la cellule. Les surfaces de la cavité de la cellule d'affichage portent donc dans ces conditions le film d'alignement homéo- trope souhaité, et cette cellule peut alors être remplie avec les cristaux liquides, puis scellée. Dans une réalisation actuellement recommandée, la solution d'agent tensioactif peut contenir jusqu'à environ 1% en volume d'agent de couplage au silane dissous dans de l'eau distillée. La cavité vide de la cellule est remplie sous vide avec cette solution, puis traitée thermiquement sous vide à une température choisie pour être inférieure à la température de décomposition de l'agent tensio-actif, afin d'éliminer le solvant porteur volatil et conduire à la formation d'un film d'alignement homéotrope sur les surfaces intérieures de la cavité de la cellule. La suite de la description de réfère aux dessins annexés qui représentent: - figure 1, une vue en perspective d'une partie de cellule d'affichage à cristaux liquides permettant d'exposer les principes de l'invention, - figure 2, un organigramme des différentes phases du procédé conforme à l'invention, et - figure 3, une représentation schématique d'un appareil- lage à étuve sous vide permettant de mettre en oeuvre le procédé conforme à l'invention. On voit figure 1 que la cellule d'affichage à cristaux liquides 10 représentée partiellement comporte des premier et deuxième substrats il et 12, au moins l'un de ces substrats étant en un matériau optiquement transparent. Les électrodes 14 sont formées, selon des techniques connues, sur les surfaces intérieures lia et 12a des substrats, avant que ces dernières soient disposées face à face avec les électrodes l'une en face de l'autre. Comme il est connu, les électrodes peuvent être en un matériau conducteur et pratiquement transparent. Un élément de scellement 15 est formé entre les périphéries des substrats alignés et écartés l'un de l'autre, pour obtenir une cavité centrale de cellule, complètement férmée,lOa qui est remplie du matériau des cristaux liquides 17. A titre d'exemple, le matériau des cristaux liquides peut être un matériau à transition cholestérique-nématique du type "invité-hôte", dans lequel on ajoute un pigment dichroique approprié a "l'hôte", que constitue les cristaux liquides pour permettre l'absorption de la lumière. Ainsi, les molécules allongées 17a de cristaux liquides, à l'état désexcité de la cellule, ont leurs axes directeurs (les grands axes) alignés selon un trajet hélicoidal de sorte que la lumière est absorbée lors de son passage dans la cellule. Lorsqu'on couple une source de potentiel aux deux électrodes 14 et que la tension fournie par cette source est plus élevée que la tension de seuil de la cellule, l'agencement hélicoïdal des molécules "hôte" de cristaux liqudies et "invité" de pigment se défait, les molécules s'alignant de manière homéotrope; autrement dit, les axes directeurs des molécules se retrouvent sensiblement perpendiculaires aux surfaces des électrodes et substrats. Cet état est tout à fait compatible avec les molécules proches des surfaces tensio-actives. L'agent tensio-actif formant les couches 20 grâceauxquelles on obtient la condition d'alignement homéotrope peut être formé à partir de matériaux tels qu'un agent de couplage au silane (par exemple, l'agent XZ-2300 vendu par Dow Corning), un complexe (dans de l'alcool isopropyle) organométallique (chrome) (par exemple, le matériau Quilon C vendu par DuPont Chemicals), un polyamide (par exemple, le matériau Versamid de General Mills Chemicals), ou tout autre matériau tensio- actif commercialement disponible. Mais les agents tensio- actifs se décomposent aux températures supérieures à environ 250'C, de sorte que le pouvoir d'alignement homéotrope du matériau est détruit dans les cellules fabriquées en utilisant les techniques connues, soit dans les cellules pour lesquelles l'élément de scellement périphérique 15 est formé après absorption des agents tensio-actifs par les surfaces intérieures des substrats. La destruction du film d'alignement homéotrope a lieu notamment dans les cellules d'affichage à cristaux liquides dont l'élément de scellement 15 est obtenu à partir d'une fritte de verre requérant la cuisson de l'ensemble substrat-fritte de verre à des températures de vitrification de la fritte de l'ordre de 5000C. On se reportera maintenant à l'ensemble des figures pour définir le procédé conforme à l'invention. On commence par former les électrodes. 14 sous la forme souhaitée, sur les surfaces lla et 12a des substrats. Les substrats porteurs d'électrode sont alors placés de manière que leurs surfaces portant les électrodes soient face à face et que ces électrodes soient alignées. On fabrique l'élément de scellement périphé- rique 15 et on obtient une cellule comportant une cavité centrale 10a, scellée de manière parfaitement hermétique. La première phase de fabrication de la cellule consiste donc à former une cellule vide avec une cavité centrale vide 10a, qui communique avec l'extérieur au moyen d'un trou de remplissage lOb que l'on voit figure 3. La cavité iQa de la cellule est remplie d'une solution tensio-active. Il peut s'agir par exemple d'une solution 23 obtenue par dissolution dans de l'eau distillée de l'agent de couplage au silane Dow Corning XZ-2300 à raison de 1% en volume; la quantité intro- duite doit être suffisante pour remplir la cavité. A cette fin, on peut placer la cellule 10 dans une enceinte sous vide remplie jusqu'à un niveau suffisant de la solution tensio- active 23, la cellule 10 étant complètement immergée dans cette solution. L'enceinte 25 est mise sous vide, puis ramenée à la pression atmosphérique ambiante, de sorte que la solution pénètre dans la cavité centrale 10a de la cellule. La solution tensio-active restante 23 est alors évacuée de l'enceinte. On fait évaporer le solvant pour former un film tensio- actif 20 sur les électrodes et les surfaces intérieures de la cavité de cellule. A cette fin, on ferme l'enceinte 25 et on alimente, à partir d'une source de potentiel 28, un élément chauffant 27 qui peut être constitué par un élément résistant, le commutation 29 est fermé, l'enceinte étant sous vide, le dispositif de commande 30 maintenant la tempé- rature à la valeur souhaitée, par exemple 80C. La cellule est laissée dans l'étuve sous vide pendant environ 1 heure, à 80C, pendant ce temps, le solvant, soit l'eau distillée, s'évapore, et le film tensio-actif 20, soit le film d'agent de couplage au silane, se dépose sur les surfaces intérieures en regard des électrodes 14 et sur les surfaces intérieures lia et 12a des substrats. Bien entendu, dette étape d'évapo- ration du solvant conduisant à la formation d'un film tensio- actif sur les surfaces intérieures de la cellule peut être conduite en élevant simplement la température de la cellule contenant la solution précitée; mais l'étuvage de la cellule sous vide tend à accroître la vitesse d'évaporation, ce qui réduit le temps nécessaire pour l'élimination du solvant. Lorsque le film tensio-actif est formé, la cellule est remplie du matériau qui constitue les cristaux liquides choisis, et le trou de remplissage est fermé, ces étapes étant conduites conformément à des techniques connues. Bien entendu, le procédé peut être appliqué à la formation de cellules d'affichage contenant un quelconque matériau en tant que cristaux liquides, et ne s'applique pas seulement aux cellules contenant le matériau cité à titre d'exemple, dans lesquelles l'effet optique s'obtient par transition choles- térique-nématique. Il se trouve qu'en établissant des conditions d'alignement homéotrope par recours au procédé conforme à l'invention, on tend à obtenir des cellules d'affichage dans lesquelles les conditions d'alignement et les caractéristiques de tension de seuil sont exceptionnellement uniformes, les cellules ne présentant ni stries, ni tâches sombres révélatri- ces d'un mauvais alignement lorsqu'elles sont examinées en lumière polarisée. REVENDICATIONS 1. Procédé permettant d'établir des conditions d'aligne- ment homéotrope dans les cristaux liquides contenus dans une cellule d'affichage se trouvant dans un état d'affichage, caractérisé en ce qu'il consiste (a) à former une cellule vide (10) pourvue d'un trou de remplissage (lOb) communiquant avec une cavité vide (10a) intérieure à la cellule, (b) à dissoudre, dans un solvant porteur volatil, un agent tensio-actif choisi pour établir des conditions d'ali- gnement homéotrope, (c) à remplir la cavité de cellule (lOa) avec la solution, (d) à faire évaporer le solvant porteur volatil pour que l'agent tensio-actif se dépose sur les surfaces intérieures (14, 12a, 12b) de la cavité de cellule, (e) à remplir la cavité de cellule avec le matériau constituant les cristaux liquides, et, (f), à fermer le trou de remplissage (lob). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, au cours de l'étape (b), on dissout dans le solvant jusqu'à environ 1% en volume d'agent tensio-actif. 3. Procédé selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le solvant utilisé au cours de l'étape (b) est de l'eau distillée. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caracté- risé en ce que, au cours de l'étape (c), on immerge la cellule dans la solution, on place la cellule sous vide, puis on ramène cette cellule à la pression atmosphérique ambiante pour faire pénétrer la solution dans la cavité de cellule. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, carac- térisé en ce que, au cours de l'étape (d), on place la cellule sous vide, on chauffe la cellule sous vide à une température prédéterminée, et on maintient cette cellule sous vide à la température prédéterminée pendant un intervalle de temps choisi pour que le solvant s'évapore et que l'agent tensio- actif d'alignement homéotrope se dépose sous forme d'un film (20) sur les surfaces intérieures (14, 12a, 12b) de la cavité de cellule. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'on effectue le chauffage à une température prédéterminée de l'ordre de 800C. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que, au cours de l'étape (a), on prend deux substrats (11,12), écartés l'un de l'autre en les plaçant de manière que leurs bords soient alignés, on scelle la périphérie des substrats alignés à l'aide d'un matériau (15) requérant une température de scellement plus élevée que la température à laquelle se décompose l'agent tensio-actif. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le matériau de scellement (15) est constitué par une fritte de verre. 9. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte une étape au cours de laquelle on forme des électrodes (14) sur les surfaces intérieures des substrats (11,12), qui viendront en regard, avant de sceller la périphé- rie de ces substrats. 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau constituant les cristaux liquides est un matériau cholestérique-nématique.