Brevet FR2509074A1 — publié le 19830107

La présente invention concerne des affichages à cristaux liquides et, plus particulièrement, un nouvel affichage à cristaux liquides par transmission et réflexion fournissant des zones visibles lumineuses à l'état activé, en réponse soit à la lumière réfléchiesoit à la lumière transmise. Il est bien connu d'utiliser un affichage à cristaux liquides pour fournir un affichage à faible consommation d'énergie qui ne s'affadit pas lorsqu'on le regarde directe- ment à la lumière du jour On peut réaliser des affichages de luminosité élevée et de contraste acceptable en utilisant des cristaux liquides cholestériques hôtes avec un colorant dichroique invité, comme décrit par White et Taylor, dans le "Journal Of Applied Physics" Vol 45, page 4718 ( 1974). Cette forme d'affichage a une visibilité acceptable à des niveaux de lumière ambiante modérés à forts; pour un niveau de lumière ambiante faible, il est nécessaire pour que l'affichage soit visible, d'avoir une source de lumière externe On connaît deux méthodes d'éclairement externe l'éclairement par coin et l'éclairement par l'arrière Dans la première technique, une source lumineuse est placée en face et sur un bord, de la cellule d'affichage, les rayons lumineux étant dirigés vers la cellule d'affichage par une plaque de verre ou de matière plastique en forme de coin. Les rayons lumineux tombent en général sur l'affichage sous un angle d'incidence faible, de 15 à 20 degrés environ Sous cet angle d'incidence, une composante de la lumière est abosrbée par les molécules à l'état activé, ce qui dégrade le contraste De plus, la technique d'éclairement par coin est relativement coûteuse et incommode L'éclairement par l'arrière a été encore moins heureux car, par réflexion, la lumière traverse deux fois l'affichage et par transmission seulement une fois Si l'on a jusqu'à présent conçu l'affichage pour qu'il ait une luminosité suffisante, aucun schéma pratique n'a été disponible pour visualiser une cellule d'affichage à cristaux liquides hôte-invité, telle qu'une cellule d'affichage cholestérique, soit par trans- mission soit par réflexion avec une luminosité et un con- traste suffisant à la fois par transmission et par réflexion. Par conséquent, il est extrêmement soulhitable de fournir un affichage par transmission et réflexion, c'est-à-dire, visible à la fois par transmission et réflexion avec une luminosité et un contraste suffisant pour fournir des carac- téristiques de lecture suffisantes. Selon la présente invention, un affichage à cristaux liquides utilise une cellule d'affichage à cristaux liquides dichroiques, cholestériques, ayant une surface frontale recevant la lumière ambiante, lorsqu'elle est présente, et ayant disposé successivement derrière la surface arrière de la cellule, un réflecteur diffus, partiellement trans- metteur du type non-dépolarisantîune lame quart-d'onde, un polariseur linéaire, et des moyens pour sélectivement fournir de la lumière pour la transmission à travers le polariseur, la lame quart-d'onde, le réflecteur et la cellule La surface frontale de la cellule apparait lumineuse lorsque la cellule est activée et sombre lorsqu'elle est inactivée, de sorte qu'il est ainsi possible de voir la cellule d'affichage par réflexion, si la lumière ambiante est suffisante, et par transmission, pour des environnements incapables de fournir une lumière ambiante suffisante pour une vision normale de la cellule. En conséquence, la présente invention a pour but de fournir un nouvel affichage à cristaux liquides capable de fonctionner par réflexion ou transmission de la lumière. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: Figures la et lb des vues en perspective partielle d'un affichage selon les principes de la présente invention, respectivement dans les modes de fonctionnement par réflexion et par transmission. En se référant à la figure la, un affichage à cristaux liquides par transmission et réflexion 10, selon l'invention, comprend une cellule d'affichage à cristaux liquides 11 ayant un substrat avant 12 et un substratarrière 14 en matériau essentiellement transparent, tel que du verre ou analogue On réalise sur la surface interne du substrat avant 12 au moins une électrode avant transparente et conductrice 16, telle que l'électrode avant supérieure 16 a ou l'électrode avant inférieure 16 b, cependant qu'on réalise au moins une électrode arrière transparente et conductrice 18, telle que l'électrode arrière supérieure 18 a et l'élec- trode arrière inférieure 18 b, sur la surface interne du substrat arrière 14 Comme cela est connu dans la technique, on peut fabriquer les électrodes 16 et 18 en oxyde d'indium, oxyde d'étain, oxyde mixte d'indium et d'étain et analogues. Contenue(à l'aide de moyens de scellement non représentés) entre les surfaces internes portant les électrodes des substrats avant et arrière 12 et 14 se trouve une couche 20 de cristaux liquides Avantageusement, cette couche 20 est une couche de cristaux liquides dichro:ques, dans laquelle des molécules de colorant dichroique 20 a sont les invités de cristaux liquides hôtes 20 b A titre d'exemple, les cristaux liquides sont du type cholestérique, de sorte que les molécules de cristaux liquides 20 b ont une orientation en hélice, avec les molécules parallèles et torsadées par rapport aux parois de la cellule, lorsque la cellule est à l'état inactif (dans lequel il n'existe pas de champ électrique entre les électrodes avant et arrière 16 et 18), c'est-à-dire, lorsqu'une source de tension 22 n'est pas effectivement branchée, par l'intermédiaire de l'interrupteur 24, entre les électrodes avant et arrière 16 et 18 Lorsque l'interrupteur 24 est ouvert, les molécules de cristaux liquides 20 b ont leur orientation normale, comme représenté l'orientation cholestérique en hélice, ce qui fait que les molécules de colorant dichroique invité 20 a ont également une orientation en hélice On a représenté l'état non excité par les molécules de cristaux liquides hôtes et de colorant dichrolque invité de la partie supérieure de la cellule, entre les électrodes supérieures 16 a et 18 a. Lors de la fermeture de l'interrupteur 24, il se crée un champ électrique entre les électrodes avant et arrière ce qui oblige les molécules de cristaux liquides à prendre l'orientation homéotrope, avec leurs axes directeurs (leurs grands axes) perpendiculaires au plan des électrodes avant et arrière 16 et 18 On a représenté l'état activé dans la partie inférieure dé la cellule 11, entre les électrodes avant et arrière 16 b et 18 b, respectivement Si l'on suppose une orientation homéotrope, les molécules de cristaux liquides b' obligent les molécules de colorant dichroique invité a' à prendre également l'orientation homéotrope, avec leurs l O axes directeurs également perpendiculaires aux plans des électrodes. Disposés successivement derrière la surface externe du substrat arrière, on trouve un réflecteur-transmetteur diffus 30, de préférence en matériau métallique, qui a un degré élevé de réflectance, mais non totalement réfléchissant, et qui a un faible degré de transmission Classiquement, une transmission de 5 à 10 % environ de la lumière par ce réflecteur-transmetteur 30 est souhaitable Une lame quart- d'onde 40 est prise en sandwich entre le réflecteur-trans- metteur 30 et un polariseur linéaire 50 L'axe optique 40 a de la lame quart-d'onde est établi à un angle de 45 environ par rapport à l'axe de polarisation linéaire 50 a du pola- riseur 50 On voit que la lame quart-d'onde peut être placée à un angle de 450 environ par rapport au polariseur linéaire 50 dans l'une ou l'autre de deux conditions, pour fournir de la lumière circulairement polarisée gauche ou droite Le sens de la polarisation rotatoire de la lame quartd'onde est opposé à celui de la torsade de l'hélice des molécules hôtes de cristaux liquides cholestériques, lorsqu'on regarde suivant le trajet des rayons lumineux traversant l'affichage. Une source de lumière de transmission 60 est placée derrière le polariseur linéaire 50, et est l'élément de l'affichage le plus éloigné de la cellule 11 (voir figure lb). En fonctionnement dans le mode de réflexion de la figure la, la lumière ambiante 70 pénètre par le substrat avant 12 de la cellule 11 de l'affichage 10 La lumière ambiante 70 est de polarisation aléatoire, comme le montrent les vecteurs a de la lumière non polarisée A l'état non activé, les molécules de colorant dichroique 20 a de la cellule 11 sont coopérativement alignées avec les molécules de cristaux liquides cholestériques hôtes 20 b en une structure d'hélice torsadée et la cellule absorbe pratiquement la lumière inci- dente 70 De préférence, la fraction de la lumière 72 sortant de la surface arrière 14 a de la cellule est quelque peu polarisée elliptiquement ou circulairement La lumière atténuée 72 est notablement réfléchie et diffusée par le réflecteur-transmetteur diffus 30 rencontré ensuite Le rayon réfléchi 74, maintenant de polarisation de sens opposé au rayon 72, pénètre à nouveau dans la cellule et y est à nouveau notablement atténué par les molécules de colorant dichroique alignées en hélice De manière avantageuse, l'absorption que subit le rayon lumineux entrant, pendant les traversées directe et en retour de la cellule 11, est suffisante pour pratiquement absorber totalement la lumière, de sorte que le rayon lumineux sortant 76 soit d'amplitude pratiquement nulle Un observateur voit par conséquent la partie de l'affichage non activée comme étant à l'état sombre. Lorsque la cellule est à l'état activé dans le cas de la réflexion (partie inférieure de la figure la), le rayon lumineux incident 70 ' rencontre les molécules de colorant dichroique 20 ' alignées dans la direction du trajet du rayon, de sorte qu'a lieu une atténuation minimale du faisceau 70 '. Par conséquent, le faisceau sortant 72 ' de polarisation aléatoire est d'amplitude notablement plus grande que le faisceau 72 dans le cas de la cellule non activée Le faisceau 72 ' est réfléchi et diffusé par le réflecteur-transmetteur 30 et revient sous forme d'un faisceau 74 ' d'amplitude im- portante Le faisceau 74 ' pénètre à nouveau dans la cellule 11, la traverse sans atténuation notable et sort sous forme d'un faisceau brillant 76 ', visible par un observateur placé en face de la surface avant 12 de la cellule Par conséquent, la cellule d'affichage il activée apparaît brillante sur un fond sombre (des parties non activées) et est vue avec un contraste élevé par l'observateur Du fait que le réflecteur- transmetteur 30 agit également comme un diffuseur, la partie brillante est visible sur un grand angle de vision, par rapport à la normale à la surface du substrat avant de la cellule. Dans le mode de transmission (figure lb):, la lumière ambiante ne pénètre pas dans le substrat avant 12 de la cellule L'affichage est éclairé par de la lumière émanant d'une source arrière 60 Dans l'état non activée de la cel- lule (partie supérieure de la cellule 11), le faisceau lumineux 80 issu de la source 60 est initialement polarisé de façon aléatoire, comme le montre les vecteurs champ électrique 80 a de la lumière Le faisceau 80 traverse le polariseur linéaire 50, de sorte que le faisceau sortant 82 est linéairement polarisé avec des vecteurs champ électrique 82 a seulement parallèles à la direction du vecteur de pola- risation 50 a du polariseur 50 Dans la réalisation repré- sentée, les vecteurs de polarisation 82 a sont verticaux Le faisceau 82 polarisé verticalement traverse la lame quart- d'onde 40 et sort sous forme d'un faisceau 84 ayant un vecteur de polarisation circulaire 84 a Le faisceau 84 circulairement polarisé traverse le réflecteur-trans- metteur 30 transmettant partiellement la lumière et sort sous forme d'un faisceau quelque peu atténué 86, ayant encore un vecteur de polarisation circulaire 86 a Le fais- ceau lumineux 86 circulairement polarisé pénètre dans la cellule 11 et rencontre les molécules de colorant dichroique orientéesen hélice 20 a Le faisceau lumineux polarisé cir- culairement 86 est de polarisation rotatoire de sens inverse au sens de torsion de l'hélice du mélange de cristaux li- quides cholestériques hôtes et de colorant dichroique Les molécules de colorant 20 aabsorbent fortementle faisceau 86 lorsque la cellule est non activée En conséquence, le fais- ceau sortant 88 est d'amplitude lumineuse pratiquement nulle, de sorte que la partie supérieure de la cellule 11, en fonctionnement par transmission, apparaît sombre à un obser- vateur On voit que l'atténuation dans le réflecteur-trans- metteur 30, en mode de transmission, doit être égale environ à la somme de l'atténuation-dû à un passage à travers la cellule plus la perte à la réflectance par le réflecteur- transducteur en mode de réflexion. Lorsque l'interrupteur 24 est fermé, et la cellule activée, comme dans la partie inférieure de la cellule Il de la figure lb, le rayon entrant polarisé de manière aléa- toire 80 ' est encore polarisé linéairement par passage dans le polariseur linéaire 50 Le rayon émergeant polarisé liné- airement 82 ' traverse la-lame quart-d'onde 40 et émerge sous forme d'un faisceau polarisé circulairement 84 ' Après passage à travers le réflecteur à transmission partielle 30, le faisceau polarisé circulairement 88, quelque peu atténué, pénètre dans la cellule 11 Comme la cellule est activée, les cristaux liquides hôtes et les molécules de colorant dichroique invité sont tous alignés dans l'orientation homéotrope, perpendiculaire aux parois de la cellule, le rayon polarisé circulairement 86 ' traverse par conséquent, la cellule à cristaux liquides avec relativement peu d'atté- nuation, émergeant sous forme d'un rayon 88 ', ayant une polarisation circulaire et une amplitude non nulle Le rayon 88 ' est visible pour un observateur. On voit que dans l'état non activé de la cellule, chaque partie de cellule de l'affichage 10 apparait sombre à un observateur en mode de réflexion ou de transmission, cependant que chaque partie de cellule activée de l'affichage apparaît, dans l'un ou l'autre mode, comme une zone lumineuse à un observateur. Le sens de la torsion de la lumière polarisée circulai- rement et des cristaux liquides cholestériques n'est important que dans le cas de la transmission dans lequel lespolarisations circulaires sont agencées de manière àêtre opposées l'une à l'autre dans un sens de transmission de la lumière de l'arrière de la cellule vers la surface avant observable Ainsi, dans l'exemple représenté, le rayon lumineux 86 à une polarisation gauche (sens des aiguilles d'une montre) par rapport à son sens de progression, cependant que les molécules de cristal liquide 20 b sont établis, au moyen d'un additif opti- quement actif qui confère une torsion à la couche de cris- taux liquides cholestériques dichroiques, pour avoir une polarisation circulaire de sens opposé, c'est-à-dire droite ou dans le sens des aiguilles d'une montre, torsion vue depuis le substrat arrière 14 en direction du substrat avant 12 Cet état se traduit par une propagation de la lumière suivant les grands axes (axes directeurs) dés molécules de colorant et par suite assure une absorption importante de la lumière En conséquence, la lumière incidente non pola- risée à la fois dans le mode de réflexion et le mode de transmission est absorbée, cependant que l'intensité de la lumière polarisée circulairement dans les cristaux liquides dichroiques à alignement homéotrope de l'état activé de transmission n'est pratiquement pas affectée. Dans une réalisation, la cellule 1 i a un espacement de substrat à substrat de l'ordre de 12 pm, avec des conditions aux limites homéotropes établies au niveau des surfaces des électrodes On a introduit un mélange noir de cristaux liquides cholestériques dichroiques 20 dans la cellule. Le mélange de cristaux liquides a un pas de 3,3 pm Le réflecteurtransmetteur 30 était un revêtement d'argent diffus, ayant une transmission de 5 % environ, et était fabriqué directement sur la surface externe 14 a-du substrat arrière Derrière ce "réflecteur-transmetteur", on a disposé successivement la lame quart-d'onde 40 et le polariseur linéaire 50. Pour cette cellule, dans le mode de réflexion, on obtenait un rapport de contraste 12,1 et une réflectance de 49 % avec une source lumineuse à un angle de 200 par rapport à la normale à la surface avant de la cellule, tandis qu'on obtenait un rapport de contraste de 11,8 et une réflectance de 37 % avec une source lumineuse à un angle de 30 par rapport à la normale à la surface avant du substrat de la cellule En mode de transmission, on obtenait un rapport de contraste de 6,8 (tombant à un rapport de contraste de 3,1 environ lorsqu'on enlevait la lame quartd'onde) On notera que la luminosité de l'affichage fonctionnant en mode de transmission, est établie par l'intensité de la source lumineuse 60 On notera également que le rapport de contraste est fortement amélioré lorsqu'il y a la lame quart- d'onde 40, en mode de transmission. On a fabriqué une cellule semblable de 12 pm et on l'a remplie avec d'autres cristaux liquides noirs, dans laquelle le substrat arrière et les électrodes étaient revêtus d'un agent tensio-actif à base de polyimide et frottés pour obtenir des conditions aux limites de surfaces paral- lèles On rendait la surface avant homéotrope en utilisant un agent tensioactif approprié et on disposait derrière la cellule la même structure de réflexion-transmission. Les cristaux liquides particuliers avaient un pas de 8 pm environ En mode de réflexion, avec la source lumineuse à un angle de 200 par rapport à la normale à la surface avant de la cellule, on a mesuré un rapport de contraste de 10,3 et une réflectance de 49 % En mode de transmission, on a mesuré un rapport de contraste de 5,9 On a enlevé la lame quart-d'onde et le polariseur 50 était aligné pour être perpendiculaire à l'alignement de polarisation de la lu- mière des conditions aux limites parallèles à la surface arrière de la cellule Dans ce cas, on a obtenu un rapport de contraste de 3,1, démontrant à nouveau que la polarisa- tion circulaire de la lumière dans le mode de transmission fournit un rapport de contraste plus élevé que la simple utilisation de polariseurs croisés. On a trouvé que pour des compositions de cristaux li- quides à pas relativement grand, de l'ordre de 4 à 8 pm, il apparaît que la lame quart-d'onde 40 assure un degré optimal de retardement de phase et fournit une lumière po- larisée elliptiquement se traduisant par un contraste optimal de l'affichage Cependant, on a trouvé que la lumière polarisée circulairement de sens approprié améliore le rapport de contraste par rapport à la lumière polarisée linéairement ou non polarisée Par exemple, lorsqu'on utilise un composé cyanobiphényle optiquement actif, tel que l'additif CB-15 du commerce, on obtient une polarisation circulaire dans un premier sens Si l'on utilise d'autres additifs, tel que le nonanoate de cholestérol, le pas de la composition de cristaux liquides tourne dans un sens opposé et nécessite que la lame quart-d'onde 40 soit réglée pour 'fournir de la lumière polarisée circulairement de sens opposé pour améliorer le contraste Ainsi, on peut utiliser dans l'affichage 10 des cellules d'affichage à variation de phase et cristaux liquides cholestériques dichroïques ayant l'un ou l'autre des sens de torsion, en choisissant la lame quart-d'onde 40 et/ou le polariseur 50 appropriés. Bien qu'on ait décrit une réalisation particulière de l'invention, de nombreuses modifications et variantes apparaîtront aisément à l'homme de l'art Ainsi, on pourrait utiliser des cristaux liquides cholestériques hôtes à anisotropie négative avec un long pas pour obtenir un affi- chage à caractères noirs sur fond lumineux-; l'utilisation de filtres colorés, colorants isotropes, ou colorants ayant leur moment de transition perpendiculaire aux grands axes, et autres modifications semblables sont également possibles. REVENDICATIONS 1 Affichage visible par réflexion ou transmission, caractérisé en ce qu'il comprend: une cellule d'affichage à cristaux liquides ( 11) ayant une atténuation relativement faible de la lumière qui la traverse avec une polarisation quelconque lorsqu'elle est' activée et ayant une atténuation importante de la lumière qui la traverse, lorsqu'elle est à l'état non- activée, ayant au moins une polarisation aléatoire et une polarisation circulaire d'un premier sens, cette cellule ( 11) ayant une première surface ( 12) visible par un obser- vateur et une seconde surface ( 14 a) opposée à la première surface; un réflecteur-transmetteur ( 30) adjacent à la seconde surface ( 14 a) de la cellule ( 113 pour réfléchir vers cette cellule une partie relativement importante de la lumière issue de la cellule qui tombe sur lui et également pour transmettre une partie relativement moindre de lumière arrivant d'une direction opposée à celle de la cellule; un moyen ( 50) placé au-delà du réflecteur-transmet- teur ( 30) par rapport à la cellule ( 11), pour polariser linéairement la lumière dans une première direction; et un moyen ( 40), placé entre le réflecteur-transmet- teur ( 30) et le moyen de polarisation ( 50), pour conférer une polarisation circulaire à la lumière linéairement polarisée issue du moyen de polarisation linéaire ( 50) et se propageant vers le réflecteurtransmetteur ( 30); ce moyen de polarisation circulaire ( 40) conférant un sens de rotation à cette lumière opposé au sens de torsion des molécules hôtes-invitées dans la cellule à l'état non activé; cette cellule apparaissant sombre à l'état non activé lorsque de la lumière est transmise ou réfléchie par l'affichage et apparaissant lumineuse à -l'état acti- v 4 lorsque de la lumière est transmise ou réfléchie par l'affichage. 2 Affichage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une source de lumière ( 60) placée au-delà du moyen de polarisation ( 50), par rapport à la cellule d'affichage ( 11), 3 Affichage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de polarisation circulaire est une lame quart-d'onde ( 40). 4 Affichage selon la revendication 3, caractérisé en ce que la lame quartd'onde ( 40) a son axe optique aligné à un angle de 45 par rapport à l'axe de polarisation du moyen de polarisation linéaire ( 50). Affichage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réflecteurtransmetteur ( 30) est un élément métallique diffus. 6 Affichage selon la revendication 1 ou 5, caracté- risé en ce que le réflecteur-transmetteur transmet environ % de la lumière incidente qui le traverse. 7 Affichage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cellule comprend un colorant dichroîque invité dissous dans des cristaux liquides hôtes. 8 Affichage selon la revendication 7, caractérisé en ce que les cristaux liquides sont des cristaux cholesté- riques. 9 Affichage selon la revendication 7, caractérisé en ce que le réflecteur-transmetteur ( 30) est non-dépolarisant.