Brevet FR2545094A1 — publié le 19841102

Dispositif d'affichage à cristaux liquides par irradiation d'un faisceau laser" La présente invention concerne un dis- positif d'affichage à cristaux liquides. Parmi les dispositifs d'affichage à cristaux liquides, connus, on a proposé un exemple dans lequel une cellule de cristaux liquides est soumise à l'irradiation d'un faisceau laser modulé par des signaux vidéo ou analogues et représentant une image optique que l'on souhaite afficher, de façon que l'image optique soit inscrite dans la cellu- le de cristaux liquides. En réalisant un tel affichage d'image avec un dispositif d'affichage à cristaux liquides de ce type, on a un faisceau laser qui irradie une cellu- le de cristaux liquides comme cela est indiqué et l'énergie fournie par ce faisceau laser est transfor- mé en énergie thermique chauffant les cristaux liqui- des en induisant une transition de phase dans la par- tie chauffée des cristaux liquides La partie des cris- taux avec la transition de phase tend ainsi à repren- dre sa phase initiale lors de l'arrêt de l'irradiation par le faisceau laser Dans ces conditions, du fait du refroidissement rapide de la partie chauffée, il y a un alignement aléatoire des molécules dans les cris- taux liquides comme résultant d'une telle transition de phase et cet alignement subsiste en pratique, ce qui donne un résidu d'un centre de dispersion de lumière dans cette partie de façon à enregistrer ou inscrire l'image optique dans la cellule. Dans le dispositif d'affichage à cris- taux liquides ayant une telle fonction d'inscription d'une image optique avec un faisceau laser, l'élément le plus important réside dans la façon d'obtenir un rendement élevé dans la conversion de l'énergie du faisceau laser servant à l'inscription en énergie ther- mique et la transmission de cette énergie aux cristaux liquides. Pour réaliser une inscription satisfai- sante avec une conversion efficace du faisceau laser en chaleur, on a déjà proposé une amélioration en ajou- tant aux cristaux liquides une certaine matière colo- rante teinte qui permet d'absorber efficacement le faisceau de lumière laser. Il est très souhaitable sur le plan des dispositifs d'affichage à cristaux liquides de ce type, d'utiliser un laser semi-conducteur comme source de faisceau d'inscription pour réduire les dimensions et augmenter son intérêt commercial. A cet effet, la teinte qu'il faut ajou- ter aux cristaux liquides d'un tel dispositif d'affi- chage doit satisfaire aux conditions suivantes à savoir: 1) présenter une 2 bsorption maximale dans la plage des longueurs d'onde d'un faisceau d'un laser à semi- conducteur c'est-à-dire dans le proche infrarouge. 2) Avoir un maximum d'absorption suffisamment élevé. 3) Avoir un coefficient de transmission élevé dans la plage des longueurs d'onde visibles. 4) Etre soluble dans des cristaux liquides. 5) Présenter du dichroisme (caractéristique qui sera explicitée ultérieurement). Toutefois dans l'art antérieur, aucun des dispositifs d'affichage à cristaux liquides ne prévoit l'addition d'une teinte satisfaisante, remplis- sant les conditions ci-dessus. Dans les dispositifs d'affichage à cristaux liquides, connus, de ce type, on a par exem- ple utilisé un colorant ou une teinte de N-phényl-0- phénylène diamine nickel Cette teinte présente un maximum d'absorption dans le proche infrarouge et est pratiquement transparente dans la plage des longueurs d'onde visibles tout en étant soluble dans un cristal liquide Cependant comme son coefficient d'absorption moléculaire est faible, il faut ajouter une grande quantité de cette teinte suivant des proportions de 1,5 pourcent ou analogue, en poids pour arriver a l'absorption nécessaire pour l'inscription; cela change les caractéristiques des cristaux liquides De façon générale, les composés chélatés de métaux pré- sentent cette tendance. Certaines teintes de type cyanure ont un coefficient d'absorption dans la plage des infra- rouges et restent solubles dans les cristaux liquides. De plus, les coefficients d'absorption molaires sont élevés Par ailleurs, ces teintes ont l'inconvénient de caractéristiques extrêmement médiocres sur le plan de la résistance à l'eau Etant donné les caractéris- tiques ioniques de telles teintes, un courant passe dans les cristaux liquides lorsqu'une tension est appliquée pour l'effacement, ce qui détériore la durée d'utilisation des cristaux liquides et en outre in- fluence de façon gênante la couche d'alignement des cristaux liquides Aux vues de tels inconvénients, il reste certains problèmes non résolus dans la mise-en oeuvre pratique des dispositifs d'affichage à cristaux liquides. La présente invention a pour but de créer un dispositif d'affichage à cristaux liquides remé- diant aux inconvénients des dispositifs connus. A cet effet selon l'invention, on utilise un laser à semi-conducteur pour générer un faisceau' de lumière d'inscription et la cellule à cristaux liquides est formée par l'addition à des cristaux liquides du système cyano-biphényl, une teinte de squarylium de 1,3 di ( 1,4-diméthyl-7-isopropyl- azulènyl)-cyclobutène diylium satisfaisant aux con- ditions ( 1) à ( 5)-ci-dessus et est représentée par la formule suivante CH 3 CH 3 X CH (CH 3 > 2 32 Dans un dispositif d'affichage à cris- taux liquides selon la présente invention, on uti- lise un laser à semi-conducteur pour le faisceau de lumière d'inscription, si bien qu'il est possi- ble de réduire les dimensions et d'abaisser la puissance nécessaire Comme la cellule à cristaux liquides contient une teinte ajoutée satisfaisant aux conditions ( 1) à ( 5) ci-dessus et que son maxi- mum d'absorption est dans la plage des longueurs d'onde d'oscillations du faisceau du laser semi- conducteur, on garantit un rendement d'absorption très élevé de l'énergie du faisceau de lumière d'inscription ainsi qu'un rendement consécutif de la conduction de cette énergie vers les cristaux liquides pour effectuer une excellente opération d'inscription Dans ce montage, avec un alignement homéotrope, on forme un centre de dispersion de lumière comme indiqué ci-dessus pour rendre l'ins- cription possible avec un point de faible diamètre et ainsi augmenter la résolution pour arriver à un dispositif d'affichage à cristaux liquides de caractéristiques meilleures. La présente invention sera décrite plus en détail à l'aide des dessins annexés, dans les- quels: la figure 1 est une vue en coupe à échelle agrandie d'un exemple de dispositif d'affi- chage à cristaux liquides. les figures 2 et 3 sont des schémas ex- plicatifs du dispositif représenté à la figure 1. la figure 4 montre graphiquement le spectre d'absorption d'une cellule à cristaux liqui- des utilisée dans le dispositif de l'invention. la figure 5 est un graphique donnant les résultats des mesures de la relation entre le diamè- tre du point enregistré et la largeur d'une impulsion de faisceau laser dans le dispositif selon l'invention. La figure 1 montre un faisceau laser Ls, une cellule à cristaux liquides 6, une couche à cris- taux liquides 5, des plaques transparentes 1 et 2 et des électrodes 3 et 4. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION ET DU MODE DE REALISATION PREFERENTIEL: Une quantité optimale de teinte àajouter aux cristaux liquides correspond à une plage de 0,1 à 0,5 pourcent en poids Lorsque cette quantité est inférieure à 0,1 pourcent en poids, l'absorption du faisceau laser est insuffisante pour le mode d'ins- cription, si bien qu'il faut fournir une puissance d'inscription importante; par contre, si la quantité dépasse 0,5 pourcent en poids, on risque de précipiter la teinte. Le dispositif d'affichage à cristaux liqui- des selon l'invention sera décrit ci-après à l'aide d'un exemple de réalisation dont la conception parti- culière est choisie pour arriver à une résolution éle- vee. Comme représenté à la figure 1, une cellule à cristaux liquides est formée en mettant entre des électrodes transparentes 3 et 4 placées sur les sur- faces intérieures respectives de deux plaques trans- parentes opposées 1 et 2 en verre ou analogue, une couche de cristaux liquides 5; cette couche 5 est formée de cristaux liquides de la phase smectique A ou un mélange de cette phase et de cristaux liquides de la phase cholestérique, avec addition d'une teinte de 1,3 di ( 1,4-diméthyl-7-isopropylazulényl)-cyclobu- tène diylium ayant la formule donnée précédemment. Les cristaux liquides peuvent appartenir au système cyano-biphényl tel que le cyanonolyl biphényl ou un mélange de cyanooctyl biphényl à 45 pourcents molaires et de cyanodécyl biphényl à 55 pourcents molaires Suivant la température, n'importe lequel de ces cristaux peut prendre un état cristal- lin, en phase smectique A, en phase nématique ou en phase isotropique Toutefois, il est indiqué que les cristaux liquides prennent la phase smectique A dans les conditions normales préparatoires à l'inscription et à l'affichage d'une image optique. La couche de cristaux liquides 5 comprise entre les deux électrodes 3 et 4 détermine sélective- ment l'alignement moléculaire dans les cristaux liquides et la teinte qui est en alignement homéo- tropique orthogonal aux surfaces des deux électro- des 3 et 4. Un faisceau de lumière Ls provenant d'un laser à semi-conducteur tel qu'un laser Ga Al As (longueur d'onde: 780 nm) modulé suivant une image optique que l'on veut afficher, est irradié sur la couche de cristaux liquides 5 de la cellule 6 Etant donné l'alignement homéotrope des molécules dans la couche de cristaux liquides 5, son coefficient d'ab- sorption lumineuse dans l'état antérieur à cette irra- diation du faisceau laser est relativement faible, mais une faible partie du faisceau laser est néan- moins partiellement absorbée Cela signifie que lorsqu'une irradiation par le faisceau laser est effectuée pendant que le faisceau est concentré sur la couche de cristaux liquides 5, le point du faisceau présente une distribution de Gauss avec un certain développement H comme cela est représenté à la figure 2; l'absorption de la lumière est maximale notamment dans la partie centrale du point du faisceau, à l'en- droit o la quantité de lumière est la plus impor- tante, si bien que l'augmentation de la température dans la partie centrale devient également maximale et induit une transition de phase. Dans cette partie centrale, la phase smectique devient une phase nématique et en outre une phase isotrope, de sorte qu'il en résulte un aligne- ment moléculaire aléatoire dans cette partie et qui modifie éventuellement le coefficient d'absorption de lumière ck, supérieur à ckj Il résulte de ce passage à la phase isotrope dans cette partie que l'absorption du faisceau lumineux dans cette partie est encore augmentée, ce qui se traduit par une forte élévation de température Au sens strict, le coeffi- cient d'absorption est modifié non brutalement de d Il à ^ O mais progressivement de la valeur dans la phase synétique en passant par la valeur dans la phase nématique jusqu'à la valeur o, O dans la phase isotrope De cette manière, on a une élévation accentuée de la température dans la partie centrale du point du faisceau laser alors qu'à la périphérie là o il n'y a pas de transition de phase, le coeffi- cient d'absorption reste égal à & i de faible valeur; c'est pourquoi, le faisceau laser n'y est pas absorbé facilement En conséquence, la conver- sion de l'énergie du faisceau laser en chaleur dans cette partie est faible, si bien qu'il n'y a pratiquement pas d'élévation de température du fait de la distribution du faisceau laser (figure 2) à l'endroit o la quantité de lumière est faible. En conséquence, la différence de tempéra- ture devient perceptible entre la partie centrale du point du faisceau avec la transition de phase et la partie périphérique sans transition de phase En d'autres termes, la courbe de la distribution-de température est très inclinée comme le montre le graphique de la figure 3 C'est pourquoi, lors de la coupure de l'irradiation par le faisceau laser de cette partie à haute température, à l'endroit o il y a la transition de phase, la chaleur est rayonnée immé- diatement pour refroidir rapidement, ce qui se tra- duit par un alignement moléculaire aléatoire rendant le résidu central de dispersion de lumière, percep- tible dans la partie étroite, ce qui permet d'effec- tuer une inscription de l'image souhaitée, avec une grande résolution. Pour augmenter le rendement de l'inscrip- tion, la cellule 6 est en pratique disposée sur un four ou analogue de façon à être maintenue à une température de polarisation, prédéterminée, plus faible de plusieurs degrés centrigrades de la tempé- rature de transition de phase des cristaux liquides et l'inscription ci-dessus se fait dans ces condi- tions. Lorsqu'on utilise le cyanononyl biphényl comme cristaux liquides, puisque sa transition de phase vers la phase nématique se produit à 480 C et que de plus il y a une transition isotrope à 49,50 C, la cellule 6 placée dans un four est maintenue à 431 C, c'est-à-dire une température légèrement infé- rieure à sa température de transition de phase. Comme décrit ci-dessus, on inscrit une image optique choisie dans la cellule à cristaux liquides 6 L'image ainsi inscrite dans la cellule 6 peut être effacée en appliquant un champ électri- que alternatif entre les deux plaques 3, 4 transpa- rentes formant les électrodes, disposées de part et d'autre de la couche de cristaux liquides C'est pour- quoi, il est pratique d'utiliser des cristaux liqui- des ayant une anisotropie diélectrique positive. Lors de la lecture de l'image inscrite dans la cellule à cristaux liquides 6, on irradie avec de la lumière visible Un centre de dispersion de lumière se forme et rend observable une différen- ce de transmission de lumière entre la partie d'ins- cription de l'image et l'autre partie, pour permet- tre l'observation de l'image. Dans la cellule à cristaux liquides 6 de l'exemple mentionné ci-dessus, la couche de cristaux liquides 5 a une épaisseur de 12 microns et la teinte ci-dessus est ajoutée suivant une quantité de 0,2 pourcent en poids au cyanononyl biphényl. Les résultats de la mesure du spectre d'absorption de cette cellule 6 sont donnés graphi- quement à la figure 4 Dans ce graphique, la courbe 11 représente le spectre d'absorption obtenu à l'état normal ou phase smectique A avec un alignement homéo- tropique et la courbe 12 représente le spectre d'ab- sorption dans une phase liquide isotrope, la totalité de la cellule 6 étant chauffée Il découle clairement de ce spectre que l'absorption maximale correspond à une plaque de longueurs d'onde de 770-780 nm dans chaque cas et il y a une grande différence entre les valeurs maximales des deux courbes Il et 12 indiquant un dichroisme de forte anisotropie Un tel coefficient d'absorption molaire est de l'ordre de 105 tmole lcms 1 ce qui est pratiquement égal à la valeur de la teinte de cyanure L'absorption dans la plage des longueurs d'onde visibles est tellement faible que la couche de cristaux liquides 5 apparaît comme étant pratique- ment transparente dans la cellule 6 Il a été confir- mé que les propriétés de résistance à l'eau sont meilleures que les propriétés de la cellule utilisant une teinte du système cyanure. La figure 5 montre graphiquement les résul- tats-de la mesure de la relation entre la largeur de l'impulsion d'un faisceau laser d'inscription (ayant une longueur d'onde de 780 nm et une puissance de m W) et le diamètre du point enregistré avec ce faisceau laser dans la cellule à cristaux liquides du mode de réalisation cidessus, la variable étant la quantité de teinte ajoutée Dans ce graphique, les courbes 21, 22, 23, 24 et 25 représentent respec- tivement différents exemples pour lesquels la teinte ci-dessus est ajoutée dans des proportions de 0,05 0,1; 0,2; 0,3 et 0,4 en pourcents pondéraux. REVENDICATION R E Y E N Q I C A T I 0 N Dispositif d'affichage à cristaux liquides caractérisé en ce qu'il comporte une source de lumière laser ( 4) et une cellule ( 6) à cristaux liquides telles que la couche ( 5) de cristaux liquides à laquelle on ajoute des cristaux liquides du système cyanono-biphény I, avec une teinte dichromatique de 1,3 di (l,4-diméthyl-7- isopropylazulényl)-cyclobutène diylium correspondant à la formule suivante: CH 3 CH 3 CH 3 C CH(CH 33)22 cette couche ( 5) étant pr 6 vue entre les plaques ( 1,2)électro- des transparentes opposées, et des moyens étant pré- vus pour irradier cette cellule par un faisceau laser généré par la source de lumière laser.