Brevet FR2568393A1 — publié le 19860131

CELLULE A CRISTAL LIQUIDE NEMATIQUE FAIBLEMENT DOPE PAR UN SOLUTE CHIRAL, ET DU TYPE A BIREFRINGENCE CONTROLEE ELECTRIQUEMENT La présente invention concerne une cellule à cristal liquide nématique faiblement dopé par un solu- té chiral, et du type à biréfringence contrôlée élec- triquement. Elle s'applique notamment à la réalisation de dispositifs d'affichage d'images fixes ou animées. On connait des cellules à cristal liquide nématique, utilisant l'effet de biréfringence contrô- lée électriquement. De telles cellules présentent l'inconvénient de nécessiter, pour fonctionner conve- nablement, des polariseurs circulaires dont le coût est élevé. On connait également des cellules à cristal liquide, comprenant une couche de cristal liquide né- matique additionné d'un colorant dichroique et forte- ment dopé par un soluté chiral, de telle sorte que le pas de torsion du cristal liquide de type cholestéri- que résultant est de l'ordre de l'épaisseur de la cou- che de cristal liquide. De telles cellules utilisent, pour fonctionner, l'absorption sélective du colorant dichroique en lumière naturelle non polarisée et les états "blanc" et "noir" desdites cellules correspon- dent respectivement à des basculements très différents des molécules dans ces cellules: au centre de celles- ci, le basculement est de l'ordre de zéro degré pour l'état blanc et de l'ordre de 70 à 90 pour l'état noir. La présente invention a pour but de remédier à l'inconvénient mentionné plus haut et, dans une réa- lisation particulière, de permettre en outre d'obtenir des dispositifs d'affichage dont le taux de multi- plexage et donc le nombre de lignes sont supérieurs à ceux des afficheurs connus, utilisant l'effet de biré- fringence contr6lée électriquement (pour Lesquels le nombre de lignes ne dépasse guère 250). De façon précise, la présente invention a pour objet une cellule à cristal liquide, comprenant un ensemble comportant une couche de cristal liquide et deux électrodes qui sont situées de part et d'autre de la couche et dont l'une au moins est transparente, caractérisée en ce que le cristal liquide est un cris- tal liquide nématique d'anisotropie diélectrique né- gative et faiblement dopé par un soluté chiral de telle façon que le pas de torsion du cristal liquide de type choléstérique résultant soit supérieur à envi- ron deux fois l'épaisseur de la couche et inférieur à environ huit fois cette épaisseur, en ce que l'un des côtés dudit ensemble est destiné à être exposé à une lumière incidente et en ce que la cellule est du type à biréfringence contrôlée électriquement et comprend, au moins dudit côté, un moyen de polarisation de la lumière incidente. La présente invention permet ainsi d'utili- ser au choix, pour La polarisation de la lumière, soit un ou plusieurs polariseurs circulaires soit un ou plusieurs polariseurs rectilignes, ces derniers étant beaucoup moins coûteux que les polariseurs circulai- res. Selon une réalisation particulière de l'in- vention, les deux électrodes sont transparentes et la cellule comprend deux polariseurs rectilignes croi- sés, situés de part et d'autre des électrodes. L'un des polariseurs peut être disposé de façon que son absorption maximale s'effectue parallè- lement aux directions d'alignement des molécules de cristal liquide situées au centre de la couche, res- pectivement en l'absence de tension électrique entre les électrodes et en présence d'une tension électrique entre celles-ci, supérieure à la tension de seuil de la cellule. Selon une autre réalisation particulière, le moyen de polarisation est un polariseur rectiligne et l'une des électrodes est optiquement réflectrice et située à l'opposé de ce polariseur par rapport à la couche de cristal liquide. Ledit polariseur peut être disposé de façon que son absorption maximale s'effectue parallèlement aux directions d'alignement des molécules de cristal liquide situées au centre de la couche, respectivement en l'absence de tension électrique entre les électro- des et en présence d'une tension électrique entre cel- les-ci, supérieure à la tension de seuil de la cellu- le. Enfin, selon une autre réalisation particu- lière, le cristal liquide nématique est choisi de façon que ses constantes élastiques d'éventail K11, de torsion K2 et de flexion K33 vérifient la relation 22 3 suivante: 7K33 > 6K22 + 3K11 On améliore ainsi, comme on le verra par la suite, la sélectivité à l'adressage électrique et donc le taux de multiplexage, par rapport à un nématique pur. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre purement indicatif et nul-r lement limitatif, en référence aux dessins annexes sur lesquels: - la figure 1 est une vue éclatée schémati- que d'une cellule à cristal liquide nématique dopée utilisant l'effet de biréfringence contrôlée électri- quement, selon l'invention, - les figures 2A et 2B représentent les orientations des molécules situées au centre de la couche de cristal liquide d'une cellule à nématique pur, respectivement dans le cas o aucune tension n'est appliquée entre les électrodes de la cellule et dans le cas o une tension supérieure à la tension de seuil de cette cellule est appliquée entre ces élec- trodes, - les figures 3A à 3E montrent les orienta- tions des molécules d'une couche de cristal liquide d'une cellule selon l'invention, à différents niveaux de cette couche, lorsqu'une tension électrique supé- rieure à la tension de seuil de cette cellule est ap- pliquée entre les électrodes de celle-ci, et - les figures 4A à 4E montrent ces différen- tes orientations en vue de dessus. Sur la figure 1, on a représenté schémati-- quement, en vue éclatée, une cellule à cristal liquide selon l'invention, comprenant une couche 2 de cristal liquide d'épaisseur e, comprise entre une plaque infé- rieure 4 et une plaque supérieure 6 parallèles et transparentes, par exemple en verre. Des électrodes 8 et 10 sont respectivement disposées sur les faces des plaques 4 et 6, qui sont directement en regard l'une de l'autre. Le cristal liquide est du type nématique, faiblement dopé par un soluté chiral, de telle façon que le pas de torsion pO du cristal liquide de type cholestérique résultant vérifie la double inégalité suivante: 2e \ pO De plus, la cellule est du type à biréfrin- gence contrôlée électriquement, c'est-à-dire qu'en l'absence de tension électrique entre les électrodes, les molécules de cristal liquide sont sensiblement perpendiculaires aux plaques 4 et 6 et donc sensible- ment parallèles à un axe Oz perpendiculaire à ces pla- ques et orienté de la plaque inférieure 4 à la plaque supérieure 6, le point O étant choisi sur la plaque inférieure de telle sorte que ce point corresponde à une épaisseur nulle de cristal liquide. Lorsqu'une tension électrique supérieure à une tension de seuil qui sera considérée par la suite, est appliquée entre les électrodes, les axes n des molécules de cristal liquide basculent par rapport à cet axe Oz en formant avec ce dernier des angles a dont la valeur dépend de la profondeur à laquelle se trouvent les molécules dans la couche de cristal li- quide. Les molécules situées à la cote e/2 comptée sur l'axe Oz, basculent d'un angle oM. Il est ainsi possi- ble de définir un trièdre trirectangle direct Oxyz dont l'axe Ox est parallèle au plan défini par l'axe Oz et par la direction prise par les molécules qui sont situées à la profondeur e/2 et qui ont basculé sous l'effet de la tension électrique supérieure à la tension de seuil. Sous l'effet de cette tension électrique, les projections sur le plan Oxy des axes n des molécu- les de la couche de cristal liquide forment également avec l'axe Ox des angles 0 qui dépendent de la profon- deur à laquelle se situent les molécules dans la couche de cristal liquide. On va maintenant considérer la question de l'amélioration du taux de multiplexage selon l'inven- tion. C'est l'angle de basculement des molécules sous l'effet d'une tension électrique appliquée entre les électrodes, qui détermine la transmission des niveaux blanc (tension supérieure à la tension de seuil) ou noir (tension inférieure à la tension de seuil). Cet angle reste inférieur à 30 même au niveau de trans- mission maximale. Dans le cas d'un cristal liquide nématique pur, l'angle P est nul pour toutes les molécules de la couche de cristal Liquide et l'angle "M au centre de la couche est donné par La formule suivante, vaLide pour des angles " inférieurs à 30 : "2 = (V2_-v)(v(2/3 - Ea/Epar)-H31 2 (2) "M aS aapa 31SO Dans cette formule, l'angle "M est exprimé en radians, Va représente la tension appliquée entre les électro- des, VSO représente la tension de seuil de l'effet éLectrooptique dans la cellule à cristal liquide néma- tique pur, Ea représente l'anisotropie diélectrique du cristal liquide nématique pur, supposée négative dans la présente invention, et égale à la différence entre la valeur Epar de la constante diélectrique d'une mo- - par lécuLe, comptée parallèlement à l'axe de celle-ci, et la valeur Eperp de cette constante, comptée perpendi- culairement à cet axe, et H31 est égal à (K33-K11)/K33, K33 étant la constante élastique de flexion du cristal liquide nématique pur et K11 étant la constante élastique d'éventail de ce cristal liqui- de. Dans les dispositifs d'affichage connus à cristaux liquides nématiques, on cherche, pour améLio- rer le taux de multiplexage, à utiliser des cristaux liquides nématiques présentant le rapport H31 le plus élevé possible. Les dispositifs connus utilisent des cristaux liquides nématiques dont le rapport H31 est de l'ordre de 0,21 et la tension de seuil VSO de l'or- dre de 4,5 volts. La relation donnant l'angle "M est modifiée de la façon suivante lorsqu'un soluté chiral est ajou- té au cristal liquide nématique: 2 2 2 2 + 2- "M = (VA-VS)(Va(2/3 - E /Epar) 31VS) (3) a par H31 s 3 Dans cette relation, qui n'est encore valable que pour des angles "M inférieurs à 30 (ce qui est le cas dans l'invention pour laquelle "M est très faible et peut être de l'ordre de 10 ), VS représente la tension de seuil correspondant au mélange nématique plus soluté chiral, et vaut: V = (1-X)1/2 VSO (4) avec: X = 4(K22/K33) (e/pO) (5) o K22 représente la constante élastique de torsion du cristal liquide nématique pur. La quantité H31 est donnée par La formule suivante: + H31 = H31 + X(1-X) (2H32 + H31-2/3) (6) dans laquelle H32 est égal à (K33-K22)/K33. OG Il est clair que si la condition 7K33 > 6K22 + 3K1 (7) + il est réalisée, la quantité H31 est supérieure à la quantité H31.Donc, le cristal Liquide nématique dopé par le soluté chiral présente une meilleure sélectivi- té à l'adressage électrique que le cristal liquide né- matique pur. En conséquence, le taux de multiplexage est augmenté par adjonction d'un soluté chiral au cristal liquide nématique. Dans le même temps, on remarque que la ten- sion de seuil VS est inférieure à la tension de seuil VSO, ce qui correspond à une diminution des tensions d'adressage. Un dopage trop fort conduit cependant à une perte de rendement lumineux. Un bon compromis entre le rendement lumineux et le taux de multiplexage est ob- tenu en réalisant le dopage de telle façon que la re- lation (1) indiquée plus haut soit satisfaite, rela- tion qui implique effectivement une limitation du do- page puisque l'inverse du pas pO est proportionnel au taux du soluté chiral dans le mélange réalisé. A titre indicatif et non limitatif, le cris- tal liquide nématique est un méLange de bases de SHIFF qui vérifie l'inégalité (7), avec: un pas pO bien entendu infini (aucun dopage), un coefficient H31 de 0,21, un coefficient X nul et une tension de seuil Vs de 4,5 V; et le soluté chiral est le produit commer- cialisé par la Société MERCK sous la référence CB15. Pour diverses concentrations de ce produit (correspon- dant à divers pas po), on obtient le tableau suivant: TABLEAU I PO 31 VS infini 0,21 O 4,50 V pm 0,22 0,014 4,46 V pm 0,245 0,055 4,37 V pm 0,38 0, 220 4 V Le passage de H1 d'une valeur de 0,21 à une valeur de 0,38 permet une augmentation du taux de mut- tiplexage de l'ordre de 50%. L'invention peut ainsi permettre de réali- ser des dispositifs d'affichage d'images fixes ou ani- mées pouvant comporter jusqu'à 400 lignes, voire plus. On notera que la cellule de l'invention n'est pas comparable aux cellules connues déjà men- tionnées, qui comportent des colorants dichroiques: la cellule de l'invention utilise un effet optique qui fait appel à la biréfringence d'un cristal liquide sans colorant et elle comporte au moins un moyen de polarisation de la lumière; de plus, le taux de solu- té chiraL est beaucoup plus faible que dans lesdites cellules connues; en outre, les états blanc et noir, dans la cellule de l'invention, correspondent tous deux à de très faibles basculements des molécules (en- viron 1 pour l'état noir et 10 pour l'état blanc, au centre de la couche de cristal liquide); ces faibles basculements permettent une grande sélectivité de l'ef- fet électro-optique à la tension appliquée entre les électrodes, l'affichage étant d'ailleurs acquis pour un rapport signal sur bruit voisin de 1,05. Les formules (2) et (3) données plus haut ne seraient d'ailleurs pas applicables aux cellules à co- lorant dichroique pour lesquelles les basculements sous tension sont très importants. Revenant à la figure 1, la cellule décrite plus haut en référence à cette figure, a ses électro- des transparentes et comprend en outre un premier po- lariseur rectiligne 12 et un second polariseur recti- ligne 14 qui encadrent l'ensemble constitué par la couche 2 et par les deux plaques 4 et 6. Le premier polariseur 12 est du côté de la plaque inférieure 4 et a une direction d'absorption maximale P1 parallèle à l'axe Oy. Le second polariseur rectiligne 14 est du côté de la plaque supérieure 6 et a une direction d'absorption maximale P2 parallèle à l'axe Ox. La cellule est éclairée par une lumière qui tombe sur le premier polariseur 12 et cette cellule est observée à travers le second polariseur 14, le plan d'observation t étant parallèle au plan Oxz. Pour une cellule de même structure mais dont la couche est constituée d'un cristal liquide némati- que pur, les angles P des molécules étant alors cons- tamment nuls, la direction de basculement majoritaire des molécules de cette couche, correspondant à l'ap- plication d'une tension électrique entre les électro- des, supérieure à la tension de seuil de la cellule, se projette sur le plan Oxy suivant une direction pa- rallèle à P2. Il n'y a donc pas d'effet de biréfrin- gence, que la cellule soit au repos (figure 2A), les molécules étant toutes sensiblement orientées suivant l'axe Oz ou que la cellule soit excitée (figure 2B), les molécules étant alors basculées parallèlement au plan Tt. 25683e3 Pour une cellule à cristal liquide nématique pur, utilisant l'effet de biréfringence contr8lée électriquement, il y a donc une incompatibilité entre le basculement parallèlement au plan d'observation x (ce qui est nécessaire pour avoir une bonne symétrie de l'angle de vue) et la disposition des polariseurs rectilignes qui ouvre l'angle de vue dans le plan d'observation i. On utilise alors en général des pola- riseurs circulaires pour remédier à l'incompatibilité ci-dessus. Selon l'invention, Leaddition du soluté chiral au nématique permet de faire tourner la direc- tion de basculement n dans l'épaisseur de la couche de cristal liquide. Ceci est représenté en perspective sur les figures 3A- à 3E et en vue de dessus sur les figures 4A à 4E qui sont respectivement les homologues des figures 3A à 3E, celles-ci correspondant respecti- vement aux profondeurs décroissantes z=O, z=àz, z=e/2, z=e-Az et z=e, comptées sur l'axe Oz. Les valeurs de " et P correspondant à ces profondeurs sont données dans le tableau suivant, dans lequel p1 est une valeur po- sitive: TABLEAU II z O Az e/2 e-Az e " oc:1 1M oc1 0 - _ o -1 | - L'angle o passe par son maximum cM pour z=e/2. Un dopage conduisant à un pas pO satisfai- sant à la double inégalité (1) permet d'éviter les régimes "guide d'onde" (utilisés pour les cellules du type à nématique en héLice mais gênants pour les cel- Lules du type à biréfringence contrôlée électrique- ment), du fait des faibles angles de basculement obte- nus dans l'invention, et de conférer une sensibiLité optique au basculement, même entre deux polariseurs rectilignes disposés comme on l'a indiqué plus haut en référence à la figure 1 et conduisant à un large angle de vue dans le plan d'observation z. On ne sortirait pas du cadre de l'invention en supprimant le polariseur 12 et en remplaçant l'électrode transparente 8 par une électrode optique- ment réflectrice, la cellule étant alors éclairée par une lumière tombant sur le second polariseur 14. REVENDICATIONS 1. Cellule à cristal Liquide, comprenant un ensemble comportant une couche (2) de cristal liquide et deux électrodes (8, 10) qui sont situées de part et d'autre de la couche et dont l'une au moins est trans- parente, caractérisée en ce que te cristal liquide est un cristal liquide nématique d'anisotropie diélectri- que négative et faiblement dopé par un soluté chiral de telle façon que le pas de torsion du cristal liqui- de de type choléstérique résultant soit supérieur à environ deux fois l'épaisseur de la couche (2) et in- férieur à environ huit fois cette épaisseur, en ce que l'un des côtés dudit ensemble est destiné à être expo- sé à une lumière incidente et en ce que la cellule est du type à biréfringence contr8lée électriquement et comprend, au moins dudit côté, un moyen (14) de pola- risation de la lumière incidente. 2. Cellule selon la revendication 1, carac- térisée en ce que les deux électrodes (8, 10) sont transparentes et en ce que la cellule comprend deux polariseurs rectilignes croisés (12, 14), situés de part et d'autre des électrodes. 3. Cellule selon la revendication 2, carac- térisée en ce que l'un (14) des polariseurs est dispo- sé de façon que son absorption maximale s'effectue pa- rallèlement aux directions d'alignement des molécules de cristal liquide situées au centre de la couche (2), respectivement en l'absence de tension électrique entre tes électrodes (8, 10) et en présence d'une ten- sion électrique entre celles-ci, supérieure à la ten- sion de seuil de la cellule. 4. Cellule selon la revendication 1, carac- térisée en ce que le moyen de polarisation (14) est un polariseur rectiligne et en ce que l'une des électro- des (8) est optiquement réflectrice et située à l'op- posé de ce polariseur (14) par rapport à la couche (2) de cristal liquide. 5. CelluLe selon la revendication 4, carac- térisée en ce que le polariseur (14) est disposé de façon que son absorption maximale s'effectue paralLè- lement aux directions d'alignement des molécules de cristal liquide situées au centre de la couche (2), respectivement en l'absence de tension électrique en- tre les électrodes (8, 10) et en présence d'une ten- sion électrique entre celles-ci, supérieure à la ten- sion de seuil de la cellule. 6. Cellule selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 5, caractérisée en ce que le cristal liquide nématique est choisi de façon que ses constan- tes élastiques déventail Kll, de torsion K22 et de flexion K33 vérifient la relation suivante: 7K33 > 6K22 + 3Kll