Brevet FR2565369A1 — publié le 19851206

AFFICHEUR DICHROIQUE A CRISTAL LIQUIDE A FORT CONTRASTE LUMINEUX La présente invention a pour objet un affi- cheur dichroique à cristal liquide à transition de phase cholestériquehoméotrope. Elle a pour but un meilleur contraste de ces afficheurs utilisés en ré- flexion. Une cellule à cristal liquide comprend deux parois séparées par une cale d'épaisseur entre les- quelles est inséré un film de cristal liquide, une paroi portant des électrodes transparentes et l'autre paroi une contre-électrode. Les afficheurs dichroiques sont des cellu- les à cristal liquide dans lesquelles des colorants sont dissous dans le film de cristal liquide. Ces colorants sont des molécules de forme allongée, dont Le moment de transition est généralement dirigé le Long de l'axe de la molécule. Ils absorbent la compo- sante de la lumière dont le vecteur de polarisation est dirigé parallèLement à cet axe à l'exclusion des composantes orthogonales. On connaît un premier type d'afficheur dichroique, dit cellule de Heilmeier, présentant une transition de phase homéotrope-planaire. Dans la phase homéotrope, les molécules de cristal liquide et de colorant sont perpendiculaires aux parois de la cellule. Une lumière incidente tra- versant la cellule est donc transmise sans absor- ption. Dans la phase planaire, les molécules de cristal liquide et de colorant s'alignent selon une direction unique contenue dans un plan parallèLe aux parois. Elles absorbent donc la lumière incidente. Cette absorption ne se fait que selon une direction qui est celle du grand axe des molécules de colorant. Pour maximiser l'absorption, il est donc nécessaire de prévoir un polariseur au-dessus de la cellule pour que la lumière incidente soit polarisée rectiligne- ment et parallèlement à l'axe des molécules de colo- rant avant de traverser la cellule. Dans le cas o une telle cellule est utili- sée en réflexion, la paroi inférieure doit être re- couverte d'une couche métallique pour que la lumière réfléchie garde sa polarisation rectiligne afin d'être absorbée au retour. Le polariseur, par son absorption, limite la brillance de l'afficheur. De plus, le coût de ce polariseur et sa mauvaise tenue aux températures éle- vées (environ 90 ) et aux atmosphères humides rendent cet afficheur peu satisfaisant. On connaît un autre type d'afficheur di- chroique ne nécessitant pas de polariseur. Cet affi- cheur, dit cellule de White-Taylor, utilise une tran- sition de phase cholestérique-homéotrope. Dans une cellule de ce type, on utilise un cristal liquide cholestérique, c'est-à-dire un cris- tal liquide dont les molécules sont chirales, mélangé à un colorant. L'ensemble possède une structure héli- coTdale. Les molécules de colorant s'orientent sui- vant la direction des molécules du cristal liquide et se présentent donc successivement dans toutes les directions. La lumière traversant la cellule est ain- si absorbée quelle que soit sa polarisation. Cette cellule est de préférence utilisée en réflexion car la lumière traversant deux fois le film de cristal liquide est mieux absorbée et le contraste est donc amélioré. Il est communément admis que le fond de La cellule sur lequel la lumière incidente va se réflé- chir doit être diffusant et ne pas préserver la po- larisation de la lumière incidente. Ces diffuseurs sont souvent externes à la cellule, ils sont réalisés par exemple en papier ou en oxyde de manganèse. Le rôle du diffuseur est donc dans ce cas de donner, après diffusion, une polarisation aléatoi- re à la lumière réfléchie. L'invention propose au contraire d'utili- ser comme couche de réflexion de la lumière une cou- che de type métallique, c'est-à-dire conservant la polarisation d'une onde polarisée rectilignement mais inversant la polarisation d'une onde polarisée circulairement. Ceci permet d'améliorer nettement le contraste de l'afficheur. Cependant, cette améliora- tion n'est pas obtenue pour toutes les cellules mais seulement dans le cas o l'anisotropie optique et le pas de la structure torsadée du cristal liquide pren- nent des valeurs particulières. De manière précise, l'invention a pour objet un afficheur dichroique à cristal liquide à fort contraste lumineux comprenant un film de cristal liquide entre deux parois séparées par une cale d'épaisseur, une paroi portant des électrodes trans- parentes et l'autre paroi une contre-électrode, ledit film de cristal liquide ayant une anisotropie optique An et, en l'absence de champ électrique, une structu- re en torsade de pas p, la paroi portant la contre- électrode étant au moins partiellement recouverte par une couche réfléchissante inversant la polarisation d'une onde électromagnétique polarisée circulaire- ment et l'anisotropie optique An et le pas p étant tels que l'onde lumineuse la moins absorbée par l'af- ficheur utilisé en transmission a une ellipticité au moins égale à u/8. Une onde d'ellipticité égale à T/8 est à mi-chemin entre une onde rectiligne (ellipticité nuLle) et une onde circulaire (ellipticité égale à T/4). Selon un mode de réalisation préféré de l'afficheur dichroique de l'invention, la couche ré- fléchissante est constituée par la contre-électrode. De manière préférée, le film de cristal liquide de l'afficheur dichroique de l'invention com- prend un mélange de cristal liquide nématique, de mo- lécules dichroiques et d'un composé chiral. Selon une caractéristique secondaire, le composé chiral est un cristal liquide cholestérique. Selon une autre caractéristique secondai- re, les molécules dichroiques comprennent des anthro- quinones ou des azoiques. Selon une autre caractéristique secondai- re, le cristal Liquide nématique comprend au moins l'une des moLécules suivantes: phénylcyclohexane, biphénylcyclohexane, cyclohexylcyclohexane. Les caractéristiques et avantages de l'in- vention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre illustratif mais non limita- tif, en référence aux dessins annexés, dans les- quels: - les figures la et lb représentent respec- tivement les deux états, cholestérique et homéotrope, d'un afficheur dichroique selon l'invention, - les figures 2a et 2b représentent respec- tivement les deux états, cholestérique et homéotrope, d'un afficheur dichroique selon l'invention dans le- quel la face interne des parois est recouverte d'une couche d'alignement, - l-a figure 3a illustre L'absorption d'un vecteur lumineux en fonction de l'orientation des mo- lécules de colorant et la figure 3b montre les orien- tations différentes des molécules de colorant conte- nues dans différents plans du film de cristal liqui- de, et - la figure 4 représente, sous la forme d'une famille de courbes, l'ellipticité de l'onde lu- mineuse la moins absorbée à la traversée de la cellu- le en fonction du pas p de la structure torsadée et de l'anisotropie optique En de cette cellule. Sur les figures la et lb, on a représenté une vue en coupe d'un afficheur dichroique à cristal liquide. Il comprend une première paroi 2 portant une électrode 4 et une seconde paroi 6 portant une élec- trode 8 et recouverte par une couche réfléchissante 10. Entre ces deux parois, est inséré un film de cristal liquide cholestérique. Des molécules de colo- rant 14 sont dissoutes dans le cristal liquide afin d'augmenter le contraste de la cellule. L'orientation de ces molécules est induite par L'orientation des moLécules du cristal liquide cholestérique. Les molécules de colorant sont préféren- tiellement des anthroquinones ou des azoiques. En l'absence de différence de potentiel entre les électrodes 4 et 8, le cristal liquide a une structure héticoidale. Les molécules de colorant se présentent donc successivement orientées suivant toutes les directions de l'espace dans un plan paral- lèle aux parois de la cellule. Le faisceau lumineux incident dont on a représenté le vecteur de propaga- tion k est dans ce cas fortement absorbé car le vec- teur de polarisation du faisceau lumineux est paral- lèle au grand axe de certaines molécules de colorant. La figure lb illustre l'orientation des mo- lécules de cristal liquide et de colorant lorsqu'une différence de potentiel est appliquée entre les élec- trodes 4 et 8 des deux parois de la cellule à cristal liquide. Dans ce cas, les molécules de cristal liqui- de 12 s'orientent perpendiculairement aux parois de la cellule. Les molécules de colorant s'orientent dans Le même sens. Le faisceau Lumineux est dans ce cas très faiblement absorbé puisque le grand axe des molécules de colorant et Le vecteur de polarisation du faisceau lumineux sont perpendiculaires. Selon l'invention, la couche réfléchis- sante 10 disposée sur la face interne de l'une des parois de la cellule à cristal liquide est de type métallique. Une telle cellule à cristal liquide a un contraste nettement supérieur à celui des cellules connues. Cette amélioration du contraste n'est effec- tive que pour certaines valeurs particulières du pas p de la structure hélicoidale et de l'anisotropie op- tique An. On indiquera ces valeurs en référence à la figure 4. Sur les figures la et lb, la couche réflé- chissante 10 recouvre la paroi inférieure de la cel- lule. On peut plus simplement utiliser comme couche réfléchissante l'électrode 8 en choisissant un maté- riau adéquat. On va tout d'abord décrire une variante de réalisation d'une cellule à cristal liquide conforme à l'invention. Cette description va être faite en ré- férence aux figures 2a et 2b qui représentent respec- tivement cette cellule à cristal liquide dans son état absorbant et dans son état transparent. Sur ces figures, les éléments identiques à ceux des figures la et lb portent les mêmes références. On a ajouté ici sur la face interne de cha- cune des parois une couche d'orientation 16, 18. Ces couches induisent une orientation homéotrope des mo- lécules du cristal liquide 12 et des molécules de colorant 14 situées à proximité des parois. En l'absence d'une différence de potentiel entre les deux parois, le film de cristal liquide a une structure hélicoldale comme dans le cas de la figure la avec en outre un relèvement des cellules disposées à proximité des parois. Lorsqu'une diffé- rence de potentiel est appliquée entre les électrodes des deux parois, les molécules de cristal liquide et les molécules de colorant s'alignent perpendiculai- rement aux parois comme dans le cas de la figure lb. L'ajout de couches d'alignement 16, 18 sur la face interne des deux parois n'est pas fondamen- tal. Ceci a cependant l'avantage de favoriser le bas- culement des molécules lorsqu'apparait une differen- ce de potentiel entre les parois. L'absorption du faisceau lumineux par les molécules de colorant est fonction de la direction respective du vecteur polarisation de la lumière et du grand axe de la molécule de colorant. Sur la figu- re 3a, on a représenté une molécule de colorant dans trois positions successives P1, P2, P3-selon L'axe Z de propagation du faisceau lumineux. Le plan XY est parallèle aux parois de la cellule. Les positions P1 et P3 correspondent donc à une molécule de colorant parallèle aux parois de la cellule à cristal liquide; la position P2 correspond à une orientation perpendiculaire (homéotrope) à ces parois. L'absorption du faisceau lumineux est ma- ximale lorsque le vecteur de polarisation de la lu- mière est parallèle au grand axe de la molécule de colorant. L'absorption est minimale lorsque le vec- teur de polarisation de la lumière est dans un plan perpendiculaire au grand axe de la molécule de colo- rant. Les coefficients d'absorption correspondants sont notés respectivement Kaet Kb- On appelle modes de propagation privilé- giés les vecteurs lumineux qui subissent une absorp- tion minimale ou maximale. Pour la moLécule de colo- rant P1, ces modes priviLégiés sont ceux pour les- quels le vecteur de polarisation est paralLèle res- pectivement à l'axe Y et à L'axe X. Dans le cas d'une ceLlule de HeiLmeier, par exemple, o toutes les molécules de colorant ont la même orientation, les modes de propagation privilé- giés sont des ondes Lumineuses polarisées rectiLigne- ment. Dans Le cas d'une cellule de White-Taylor telle que représentée sur la figure 3b, par exemple, La direction des molécules de colorant varie avec la profondeur dans la cellule. Les deux modes de propagation priviLégiés ne sont pLus alors des ondes polarisées rectiligne- ment, mais des ondes polarisées elliptiquement. Les coefficients d'absorption associés à ces modes sont notés respectivement K1 et K2. On montre qu'ils véri- fient: K a + Kb Kb varie en fonction de nombreux paramètres parmi les- quels - Le pas p de l'hélice, - l'anisotropie optique An du milieu, - Le vecteur de propagation dans Le vide k égal à ôn, o A est La longueur d'onde dans le vide du faisceau lumineux, - Le vecteur de propagation dans un milieu isotrope absorbant km = 2. n o n est l'indice op- tique complexe moyen du milieu, - le coefficient d'atténuation. En particulier, lorsque le pas de l'hélice diminue et/ou que l'anisotropie optique diminue, les modes de propagation privilégiés ont une ellipticité qui se rapproche de (onde circulaire). Les coefficients d'absorption K1 et K2 va- rient également en fonction de ces paramètres. En particulier, K1 augmente avec le pas p de l'hélice alors que K2 diminue avec ce pas. Dans le cas limite o p est infini (cellule de Heilmeier par exemple), les coefficients K1 et K2 sont respectivement égaux à Ka et Kb- La figure 4 illustre l'ellipticité du mode de propagation le moins absorbé en fonction du pas p de l'hélice et de l'anisotropie optique An. Il s'agit du mode de propagation le moins absorbé à la traver- sée de la cellule, sans réflexion sur une paroi de la cellule. Sur cette figure, on a représenté des cour- bes d'ellipticité constante C1, C2,..., C7. L'el- lipticité des courbes croit de C1 à C7. Elle est in- férieure à pour les courbes C1, C2 et C3 et supé- rieure pour les courbes C5, C6 et C7. La courbe C4 correspond à une ellipticité de g c'est-à-dire à une onde intermédiaire entre une onde rectiligne et une onde circulaire. La zone hachurée 30 correspond au domaine classique d'utilisation des afficheurs dichroiques à cristaux liquides de type White-Taylor. Un tel affi- cheur comporte une couche réflectrice diffusante. L'invention au contraire, concerne les afficheurs dichroiques à cristaux liquides telsque l'ellipticité du mode le moins absorbé soit supé- rieure à. Ceci correspond au domaine situé sous la courbe C4. Selon l'invention, ces afficheurs sont dotés d'une couche réflectrice de type métallique. On montre, et on constate expérimentale- ment, que ceci permet d'améliorer sensiblement le contraste de l'afficheur. En effet, comparons l'ab- sorption d'une onde dans le cas o la couche réflec- trice est de type diffusant et dans le cas o cette couche est de type métallique. Pour cela, on va con- sidérer la décomposition d'une onde O sur la base (01, 02) des modes de propagation privilégiés, 01 étant l'onde la moins absorbée et 02 l'onde la plus absorbée. On a donc O = a1.01+a2.02 o aI et a2 notent l'intensité de chaque composante de l'onde 0. Pour simplifier l'exposé, on va se placer dans le cas, extrême, o le coefficient d'absorption est nul pour l'onde 01 et infini pour l'onde 02 Apres la traversée de la cellule, le coef- ficient d'absorption de L'onde 02 étant infini, l'onde O est réduite à sa composante la moins absor- bée, c'est-à-dire a1.01. La réflexion de cette onde sur une couche diffusante va modifier L'onde O dont l'intensité sera répartie également (propriété de la diffusion) selon les deux modes. Juste après la réflexion, l'onde O s'écrira alors: O = b1.01+b1.02 avec 2b12 = a1. Lors de la seconde traversée de la cellule, la composante selon le mode le plus absorbé va disparaître, l'onde O sera alors réduite à b1.01. En revanche, si la couche réflectrice est du type métallique, l'onde O égale à a1.01 après La traversée de la cellule sera, à la réflexion décompo- sée de manière inégale sur la base (011 02) L'onde réfléchie sera alors égale à c101+C202 avec c2+c2-= a2, o Les intensités respectives c1 et c2 a1 o2 le nestsrepcie e c2 des composantes de l'onde réfléchie sont fonction de l'eLLipticité de l'onde la moins absorbée 0, c'est- à-dire fonction du pas p de l'héLice et de l'aniso- tropie optique An. Lors de la seconde traversée de la cellule, la composante selon le mode le plus absorbé 02 va disparaître; l'onde O sera alors réduite à c 1.01. On montre que si cette ellipticité de l'onde 01 est supérieure à 8, L'intensité c2 de la composante de l'onde réfléchie selon le mode Le plus absorbé est supérieure à l'intensité de la composante de l'onde réfléchie selon le mode le moins absorbé. Dans ce cas, l'intensité de l'onde O restante après une double traversée de la cellule sera plus faible que dans le cas d'une réflexion diffusante (c1 Numériquement, avec une réflexion diffu- sante, le contraste est de l'ordre de 4 à 1, alors qu'avec une réflexion de type métallique, il peut atteindre un rapport de 10 à 1. REVENDICATIONS 1. Afficheur dichroique b cristal Liquide à fort contraste lumineux comprenant un film de cristal liquide entre deux parois (2, 6) séparées par une cale d'épaisseur, une paroi portant des électrodes transparentes (4) et L'autre paroi une contre-éLec- trode (8), Ledit film de cristal liquide ayant une anisotropie optique An et, en l'absence de champ électrique, une structure en torsade de pas p, Ledit afficheur étant caractérisé en ce que La paroi por- tant la contre-électrode (8) est au moins partielle- ment recouverte par une couche réfléchissante (10) inversant la polarisation d'une onde électromagnéti- que polarisée circulairement et en ce que l'anisotro- pie optique An et le pas p sont tels que l'onde lumi- neuse la moins absorbée a une ellipticité supérieure ou égale à 2. Afficheur dichroique selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que la couche réfléchis- sante est constituée par la contre-électrode. 3. Afficheur dichroique selon l'une quel- conque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le film de cristal liquide comporte un mélange de cristal liquide nématique, de molécules de colorant et d'un composé chiral. 4. Afficheur dichroique selon la revendi- cation 3, caractérisé en ce que le composé chiral est un cristal liquide cholestérique. 5. Afficheur dichroique selon la revendi- cation 3, caractérisé en ce que les molécules de co- lorant comprennent des anthroquinones ou des azol- ques. 6. Afficheur dichroique selon la revendi- cation 3, caractérisé en ce qu'il comprend au moi*ns l'un des cristaux liquides parmi le phénylcyclo- hexane, le biphénylcyclohexane et le cyclohexyl- cyctohexane.