Brevet FR2523343A1 — publié le 19830916

I 2523343 ECRAN D'UN DISPOSITIF DE VISUALISATION UTILISANT UN EFFET MIXTE THERMIQUE ET ELECTRIQUE La présente invention concerne les dispositifs de visualisation compre- nant un matériau électro-optique réagissant à un effet mixte thermique et électrique et utilisés à des fins d'affichage ou de reproduction d'images. Il est maintenant bien connu d'utiliser un effet mixte thermique et électrique pour commander l'orientation des molécules composant un cristal liquide, notamment par le brevet français de la Demanderesse N' 77 13 738, publié sous le N O 2 389 955 et déposé le 5 Mai 1977 On peut également utiliser cet effet afin de commander d'autres matériaux électro- optiques ou d'améliorer les performances des dispositifs qui les emploient Ceci a conduit la Demanderesse à déposer une demande de brevet le Décembre 1981 et enregistrée sous le numéro 81 23 437 Cette demande proposait de réduire le temps de réponse d'un dispositif de visualisation électrochromique et d'assurer un seuil plus net de l'effet électrochromique par l'emploi combiné d'un effet thermique et d'un effet électrique. L'apport de chaleur peut se faire par rayon laser ou par le passage d'un courant électrique dans des bandes chauffantes Cette dernière solution est de plus en plus employée surtout dans les dispositifs à cristaux liquides smectiques à affichage matriciel Dans un dispositif de ce type, il convient, pour des raisons d'économie et afin de réduire le plus possible le temps de réponse du dispositif, que l'énergie thermique fournie ne soit pas gaspillée dans la lame faisant face aux bandes chauffantes Cependant, il est nécessaire également que lorsque l'adressage d'une zone de l'écran corres- pondant à une bande chauffante est terminé la chaleur accumulée dans cette zone soit évacuée par la lame supportant la bande chauffante correspon- dante Actuellement, ceci n'est pas réalisé dans les dispositifs de visualisa- tion o les lames supportant les électrodes constituant une matrice d'affi- chage sont soit de même nature, soit ne sont pas choisies en fonction des critères exposés ci-dessus. Afin de pallier à ces inconvénients, on propose d'employer dans ces dispositifs des lames choisies en fonction de leur conductivité thermique, la lame faisant face aux bandes chauffantes devant dissiper le moins possible la chaleur fournie au milieu électro-optique et la lame supportant ces bandes permettant au contraire une évacuation thermique raisonnable après cessation de l'apport de chaleur. L'invention a donc pour objet un écran d'un dispositif de visualisation à commande-thermo-électrique comprenant une première et une seconde lame dont l'une au moins est transparente, lesdites lames enserrant une couche de matériau électro-optique réagissant à un effet mixte thermique et électri- que, ladite première lame supportant sur sa face interne au moins une électrode, ladite seconde lame supportant sur sa face interne au moins une électrode chauffante, lesdites électrodes permettant d'appliquer audit maté- riau un champ électrique de commande, caractérisé en ce que ladite première lame comprend du côté dudit matériau électro-optique au moins une couche d'un matériau isolant dont la conductivité thermique est inférieure à 2,5 10-3 Cal/cm s OC et dont l'épaisseur est au moins égale à trois fois l'épaisseur de ladite couche de matériau électro-optique. L'invention sera mieux comprise au moyen de la description ci-après et des figures annexées parmi lesquelles: la figure 1 est une vue partielle en coupe d'un écran de visualisation, les figures 2 et 3 sont des diagrammes représentant des profils de température. La description qui va suivre portera sur les écrans de visualisation à cristaux liquides smectiques qui utilisent principalement ce type d'affichage. Cependant, les autres écrans de visualisation o l'affichage est réalisé par un effet mixte thermique et électrique entrent également dans le cadre de l'invention. La figure 1 est une vue partielle en coupe d'un écran de visualisation à cristaux liquides smectiques On distingue le cristal liquide 1 possédant une phase smectique Il est enserré entre deux lames 2 et 3 par exemple en verre La lame 2 supporte une série d'électrodes parallèles 5 et la lame 3 une série d'électrodes parallèles 4 croisant les électrodes 5 par exemple orthogonalement Un exemple typique de cristal liquide smectique utilisable est le cyano-octyl-4-4 '-biphényle de formule C 8 H 17 -(\-CN qui pré- sente les transitions de phases suivantes: K 20 C SA 32,5 C, N 40 C > I. La couche de cristal liquide 1 est inserrée entre les lames 2 et 3 dans un espace d'environ 10 à 15 microns de largeur défini par des cales d'épaisseur non représentées Les lames 2 et 3 peuvent avoir une épaisseur de plusieurs millimètres, ce qui représente une dimension beaucoup plus grande que l'épaisseur du cristal liquide Si le système fonctionne par transparence, les électrodes 4 et 5 seront réalisées en un matériau transpa- rent par exemple en oxyde d'étain ou d'indium ou en un mélange de ces deux oxydes Si le système fonctionne en réflexion, l'un des deux réseaux d'électrodes sera transparent et l'autre en une matière réfléchissant la lumière par exemple en aluminium Il est avantageux de choisir l'un des deux réseaux d'électrodes d'application du champ électrique pour chauffer le cristal liquide et constituer également le réseau de bandes chauffantes. Des calculs thermiques utilisant un modèle unidimensionnel permet- tent d'obtenir des profils de température dans les écrans suivant un axe transversal à ces écrans Ces calculs ont porté sur deux écrans dont la couche de cristal liquide smectique est du cyano-octyl-4-4 '-biphényle men- tionné plus haut et qui a 12 microns d'épaisseur De façon plus précise, les écrans sont du type représenté à la figure 1 On distingue, en allant de bas en haut, une lame 3 transparente, des électrodes 4 en aluminium permettant le chauffage du cristal liquide par le passage d'un courant électrique et formant les lignes de la matrice de visualisation, le cristal liquide smectique 1 déjà mentionné, des électrodes 5 transparentes sur lesquelles s'appliquent les tensions vidéo du dispositif et formant les colonnes de la matrice de visualisation et une lame 2 transparente L'écran fonctionne donc en réflexion, la lumière pénétrant par la lame 2, traversant les électrodes transparentes 5 et le cristal liquide, et se réfléchissant sur les électrodes 4. Du point de vue thermique, les électrodes lignes et colonnes ont une épaisseur négligeable et uilne faut prendre en compte que la lame inférieure 3, la couche de cristal liquide et la lame supérieure 2 Le flux de chaleur est apporté à l'interface lame inférieure-cristal liquide Pour avoir un bon fonctionnement de l'écran, il faut appliquer aux lignes chauffantes une énergie telle que la température de toutes les parties de la couche de cristal liquide soit supérieure ou égale à la température de transition mésomorphe- isotrope du cristal liquide utilisé. Lorsqu'une ligne est mise en chauffe, la chaleur dégagée se propage par conduction selon deux directions principales: vers la lame 3 d'une part, vers le cristal liquide et la lame 2 d'autre part L'apport de chaleur contribuant exclusivement à chauffer le cristal liquide, il n'est pas bon que celle-ci soit dissipée inutilement dans les lames 2 et 3 afin de limiter la puissance de chauffage et la complexité de l'électronique de commande. Dans ce genre de dispositif, la tension vidéo est appliquée lors du retour du cristal liquide de la phase isotrope à la phase smectique, c'est-à-dire après interruption du chauffage de la ligne correspondant à l'élément de l'écran à commander Pour une question de vitesse d'affichage, il faut faire en sorte que la transition de phase se fasse rapidement donc que la lame 3 puisse évacuer une certaine quantité de chaleur dans un laps de temps propor- tionnel Il résulte de ces considérations qu'il est avantageux de choisir les lames 2 et 3 en raison de leur conductibilité thermique, la lame en vis-à-vis des bandes chauffantes devant avoir une conductivité thermique plus faible que la lame qui les supporte. Les profils de température seront établis pour deux cas: d'abord lorsque la lame en vis-à-vis des bandes chauffantes est en verre, ensuite lorsque cette lame est constituée par un matériau plus isolant du point de vue thermique que le verre, le plexiglas Les caractéristiques thermiques des corps étudiés sont les suivantes: La figure 2 est un diagramme représentant le profil de température selon l'axe transverse d'un écran de visualisation Ce profil correspond à un écran dont les lames 2 et 3 sont en verre et dont les autres caractéristiques ont déjà été mentionnées sur le diagramme de la figure 2 L'axe des ordonnées représente la température T en degrés centigrades à l'intérieur de Cond thermique Densité Capacité calorifique (Cal /cm s OC) (g/cm 3) (Cal/g x O C) ristal liquide, 4,4 10 4 1 0,3 erre 2,5 10 3 2,5 0,2 lexiglas 5 10-4 1, 2 0,4 l'écran, l'axe des abscisses représente l'épaisseur de l'écran E en microns. L'origine des épaisseurs est pris à l'interface constituée par la lame 3 et les lignes chauffantes 4. Du fait de l'emplacement des bandes chauffantes, un gradient de température s'établit dans la couche de cristal liquide lors de l'utilisation de l'écran La comparaison des deux types d'écran se fera en prenant comme référence le temps T nécessaire pour que tous les points du cristal liquide atteignent la température d'isotropie Dans le cas de la figure 2, la température d'isotropie T 1 du cristal liquide qui est de 400 C, est atteinte au bout du temps T pour une puissance de chauffe P 1 La courbe 6 donne le profil de température à l'intérieur de l'écran Cette courbe présente une pente plus importante dans la zone correspondant au cristal liquide que dans les zones correspondant aux lames 2 et 3 du fait de la moins bonne conductivité thermique du cristal liquide par rapport au verre Pour attein- dre la température d'isotropie Ti à l'interface cristal liquide-lame 2 en un temps T, il a fallu porter la bande chauffante en regard à la température To = 52,70 C soit une différence de température entre les deux faces de la couche de cristal liquide de 12,70 C. La figure 3 est un diagramme représentant le profil de température selon l'axe transverse d'un écran de visualisation identique à celui représenté à la figure 1 mais pour lequel la lame de verre 2 a été remplacée par une lame de plexiglas Le plexiglas est un mauvais conducteur thermique comme on peut le constater d'après le tableau donné plus haut Il est moins bon conducteur que le verre (environ 5 fois) et que le cristal liquide utilisé Le diagramme de la figure 3 a été obtenu pour un temps r d'application du courant de chauffage et une puissance de chauffe P 2, de façon à atteindre la température d'isotropie T 1 à l'interface cristal liquide-lame 2 La courbe 7 donne l'allure du profil de température On remarque que la température de la bande chauffante utilisée est To' = 46, 10 C Dans ce cas, la puissance de chauffe P 2 appliquée est environ 30 % plus faible que dans le cas o la lame 2 était en verre (P 1 > Quant au temps d'application de la tension vidéo qui est principalement déterminé par la fuite thermique dé la lame inférieure, celui-ci reste pratiquement inchangé. L'utilisation, pour la lame 2 située en vis-à-vis des bandes chauffantes, d'un matériau plus isolant thermiquement que la lame 3 qui les supporte tend à bloquer le transfert de chaleur du cristal liquide vers la lame 2 et permet donc de diminuer les pertes thermiques Pour un même fonctionnement la présence de ce matériau permet d'utiliser une puissance de commande sensiblement inférieure à celle requise dans le cas o les deux lames sont réalisées en un matériau tel que celui de la lame 3. L'invention s'applique particulièrement bien à des écrans à rafraîchis- sement relativement lent des points élémentaires d'affichage, par exemple à l'écran à cristal liquide smectique dont la description suit Cet écran a une forme carrée de 10 cm de côté et est utilisé en réflexion Sa structure a été décrite par la figure 1 Les électrodes chauffantes ( 4) sont déposées sur la lame ( 3); elles sont constituées de bandes d'aluminium de façon à réfléchir la lumière incidente pénétrant dans l'écran à travers la lame ( 2) Les électrodes ( 5) sont transparentes et peuvent être réalisées en oxyde mixte d'étain et d'indium Les deux réseaux d'électrodes ( 4 et 5) se croisent suivant des directions sensiblement orthogonales Le croisement d'une électrode ( 4) et d'une électrode ( 5) définit un point d'affichage élémentaire Dans l'exemple choisi, chaque réseau comprend 256 électrodes qui définissent des points d'affichage ayant environ 400 microns de côté Les autres caractéris- tiques géométriques de l'écran sont les suivantes: épaisseur du substrat 3 supportant les électrodes chauffantes 3 mm, épaisseur de la lame 2 en visà- vis 1,5 mm La couche de cristal liquide smectique a 12 microns d'épaisseur; il s'agit du cyano-octyl-4-4 '-biphényle dont les caractéristiques ont été citées plus haut Le temps d'application du courant de chauffage est de ms, le temps d'application de la tension vidéo de commande 10 ms et le rafraîchissement de l'information se fait toutes les 5 secondes La relation qui existe entre l'épaisseur de la couche de cristal liquide et le temps minimum d'adressage pour lequel on note un début d'échauffement de la lame située en vis-à-vis des électrodes chauffantes peut être obtenue à partir de l'équation de diffusion d'un flux de chaleur dans un matériau x = 2 \ t Dans cette équation: x est l'abscisse en cm suivant l'axe de propaga- tion du flux de chaleur, a est la diffusivité du matériau en cm /s et t la durée du chauffage Mise sous une autre forme, l'équation donne le temps au bout duquel une couche chauffée sur ye face commence à transmettre de la chaleur sur son autre face: t = -a La diffusivité est le rapport de la conduction thermique sur la capacité calorifique Pour le cristal liquide considéré, on a donc: 4,4 10-4 1,510-3 cm 2/S. = 0,3 1, O c Is Le temps t au bout duquel la lame en vis-à-vis des électrodes chauffantes sera atteinte par le flux de chaleur est: t = 0,24 ms pour une épaisseur de la couche de cristal liquide de 12 microns Dans le cas d'un temps d'application du chauffage de 10 ms, il faut donc que la lame 2 soit très réfractaire afin d'éviter la déperdition de chaleur de ce côté de l'écran, d'o la nécessité d'utiliser du plexiglas à la place du verre. Pour que la couche de plexiglas soit efficace, on estime que son épaisseur doit au moins être égale à trois fois l'épaisseur de la couche de cristal liquide afin qu'elle puisse jouer correctement son rôle de volant thermique Dans le cas o la lame 2 est constituée par deux couches: une couche de verre en tant que substrat et un revêtement interne plus isolant que le substrat, ce revêtement devra avoir une épaisseur minimale corres- pondant à trois fois l'épaisseur de la couche de cristal liquide pour avoir une bonne efficacité. En remplaçant dans les écrans des dispositifs de visualisation la lame de verre faisant face aux bandes chauffantes par une lame plus isolante comme le plexiglas, l'invention procure l'avantage de diminuer la puissance de commande de tels écrans L'invention permet donc une économie en puissance de commande et par suite une réduction de l'encombrement et des coûts des systèmes mettant en oeuvre cette puissance de commande. REVENDICATIONS 1 Ecran d'un dispositif de visualisation à commande thermoélectrique comprenant une première et une seconde lame ( 2, 3) dont l'une au moins est transparente, lesdites lames enserrant une couche ( 1) de matériau électro- optique réagissant à un effet mixte thermique et électrique, ladite première lame supportant sur sa face interne au moins une électrode ( 5), ladite seconde lame supportant sur sa face interne au moins une électrode chauffante ( 4), lesdites électrodes permettant d'appliquer audit matériau un champ électrique de commande, caractérisé en ce que ladite première lame comprend du côté dudit matériau électro-optique au moins une couche d'un matériau isolant dont la conductivité thermique est inférieure à 2,5 10-3 Cal/cm s OC et dont l'épaisseur est au moins égale à trois fois l'épaisseur de ladite couche ( 1) de matériau électro-optique. 2 Ecran selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites électrodes forment des réseaux d'électrodes croisées. 3 Ecran selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite première lame est entièrement constituée par ledit matériau isolant. 4 Ecran selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite première lame est en plexiglas et que ladite seconde lame est en verre. Ecran selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit matériau électro-optique est constitué par un cristal liquide présentant une phase smectique.