Brevet FR2627000A1 — publié le 19890811

La présente invention est relative à un élément d'affichage actif utilisable pour la présentation des informations dans les domaines les plus variés. Les systèmes d'affichage fondés sur les effets de l'écoulement des cristaux sont assez connus dans l'état de la technique. L'identification des informations pré- sentées s'effectue en utilisant des dispositifs d'éclai- rage extérieurs pour obtenir un meilleur contraste, notamment en cas de faible éclairage environnant. Ces dispositifs d'éclairage assurent généralement un éclairage uniforme de la surface constituant l'arrièreplan et, de ce fait, ne changent rien à la structure ou au mode d'action de la cellule à cristal liquide. Le dispositif décrit par le brevet DE-OS 29 33 312 comprend, en outre, du côté de l'élément d'affichage LC qui est situé à l'opposé de l'observateur, une source de rayonnement ultra-violet comportant une couche de subs- tance luminescente. Le brevet DE-OS 30 37 224 décrit un dispositif analo- gue dans lequel la cellule à cristal liquide comprend une couche électro-luminescente située sur son c8té arrière. Cependant, le rayonnement ultra-violet peut provoquer une diminution de la durée de vie, car il déclenche dans la couche de cristal liquide des réactions photochimiques. Le brevet DD 213 257 décrit un autre dispositif per- mettant d'augmenter le contraste de l'information présen- tée au moyen d'une irradiation uniforme de l'arrière-plan. L'éclairage est assuré par des copeaux semi-conducteurs qui émettent de la lumière et qui se trouvent entre la cellule à cristal liquide et un disque situé derrière qui diffuse la lumière vers l'avant et la réfléchit vers l'arrière. L'inconvénient qu'il y a à utiliser des effets électrooptiques sur la base de phénomènes d'interférence consiste en ce que l'impossibilité de régler avec précision la cellule d'une manière optimale, les variations de température et les défauts d'homogénéité de l'épaisseur de la couche du cristal fluide produisent des défauts de couleur ou de contraste lors de la présentation des in- formations. Le brevet DD 250 191 décrit un dispositif dans lequel de la lumière arrivant latéralement est, suivant l'orien- tation des molécules du cristal liquide, réfléchie par la surface limite de la couche de cristal liquide ou réfrac- tée dans cette couche. Les inconvénients inhérents à ce- système résultent de l'utilisation de l'effet DSM. Les tensions de fonctionnement élevées qu'il implique, les durées de commutation relativement longues, la courte durée de vie et le pouvoir séparateur limité s'opposent à l'extension de son application, par exemple dans le cas d'éléments d'affichage de grande surface. Un autre incon- vénient, dans le cas des effets électro-optiques courants, réside dans le fait que la nécessité d'utiliser des pola- risateurs entra ne, d'une part, la perte d'une grande partie de la lumière et, d'autre part, une limitation des angles de lecture des informations présentées. Le but de l'invention est la réalisation d'un élément d'affichage à cristal liquide pour la présentation d'in- formations nettement visibles qui, du fait que sa struc- ture, soit techniquement facile à réaliser, puisse être fabriqué dans des conditions économiquement avantageuses tout en garantissant un fonctionnement sûr et des images de qualité. Ce but est donç la réalisation d'un élément d'affi- chage actif à cristal liquide qui permette, indépendamment de la lumière environnante, de présenter des informations contrastées quel que soit l'angle de lecture et qui se distingue par un fort pouvoir séparateur, par une faible sensibilité à la température et par de courtes durées de commutation. -Ce but est atteint, suivant l'invention, par l'utilisa- tion d'un élément d'affichage actif à base de cristal liquide, constitué par une cellule à cristal liquide com- portant une plaque de verre, des électrodes transparentes, une couche d'orientation, un cristal liquide, une couche d'orientation, des électrodes transparentes, et une pla- que de verre, les électrodes transparentes pouvant être un dispositif d'affichage à segments, entier ou à matrice, et par un dispositif d'éclairage envoyant latéralement de la lumière, polarisée linéairement, dans la plaque de verre arrière située du c8té opposé à l'observateur, et du fait que le cristal liquide est un cristal liquide ferro-électrique smectique et que le c8té de la cellule à cristaux fluides qui fait face à l'observateur porte une couche de diffusion de la lumière. Pour l'obtention d'un état défini de réflexion totale, le cristal liquide doit être orienté de telle manière que, dans l'état de fermeture optique, les axes longitudinaux des molécules soient perpendiculaires à la direction de polarisation de la lumière incidente. L'invention permet la réalisation d'un élément d'af- fichage à base de cristal liquide pour la présentation d'informations nettement visibles, qui, du fait que sa structure est techniquement facile à réaliser, peut être fabriqué dans des conditions économiquement avantageuses tout en garantissant un fonctionnement sûr et des images de qualité. L'invention est décrite ci-dessous d'une manière plus détaillée au moyen d'un exemple de réalisation en se réfé- rant au dessin. La figure 1 représente schématiquement la structure du dispositif d'affichage suivant l'invention. L'élément d'affichage actif à base de cristal liquide présente une structure stratifiée comprenant une plaque de verre la, des électrodes transparentes 2a, une couche d'orientation 3, un cristal fluide 4, une couche d'orien- tation 3, des électrodes transparentes 2b et une plaque de verre lb. Pour la réalisation de la matrice, les élec- trodes transparentes 2a et 2b ont la forme de bandes dis- posées orthogonalement les unes par rapport aux autres. L'élément d'affichage comporte par ailleurs un dispositif d'éclairage 5, qui envoie latéralement de la lumière 8, polarisée linéairement, dans la plaque de verre la, et est caractérisé par le fait que le cristal liquide est un cristal fluide 4 ferro-électrique-smectique et que le c8té de la cellule à cristal liquide qui fait face à l'observa- teur porte une couche 6 de diffusion de la lumière. Le cristal liquide ferro-électrique-smectique 4 est orienté de telle manière que les axes longitudinaux des molécules sont, dans l'état de fermeture optique, perpendiculaires à la direction de polarisation de la lumière incidente 8. Le fonctionnement de l'élément d'affichage est fondé sur le principe d'une réflexion totale qui peut être réglable par une modification d'un indice de réfraction provoquée électriquement. Le dispositif d'éclairage 5 est réglé de telle manière que la lumière polarisée tombe d'un côté de la plaque de verre la et irradie la totalité de la surface limite entre la couche d'orientation 3 et le cristal liquide 4. Les couches d'orientation 3 en SiO donnent une orientation initiale de sortie définie pour laquelle les- axes longitudinaux des molécules du cristal liquide 4 sont perpendiculaires au sens de polarisation de la lumière incidente 8 (ce qui correspond à l'indice de réfraction effet de provoquer un changement d'orientation des molé- cules du cristal liquide, ce qui fait que l'indice de réfraction prend la valeur le. L'angle d'incidence î est choisi de telle manière qu'à l'état initial, c'est-à-dire pour lo, il soit légèrement supérieur à l'angle de réflexion totale 0 à la surface limite entre la couche 262700O d'orientation 3 et le cristal liquide 4 et que le fais- ceau lumineux subisse une réflexion totale suivant le trajet I. Le changement djorientation donne au cristal liquide l'indice de réfraction Ae. Comme le est plus grand que no, l'angle limite de réflexion totale 0 sur la surface limite en question est également plus grand, de sorte que l'angle d'incidence a est inférieur à cet angle limite p et que le faisceau lumineux est réfracté dans le cristal liquide 4 suivant le trajet II et est ensuite diffusé, par la couche 8 de diffusion de la lu- mière, dans toutes les directions dans l'espace libre en avant de la plaque de verre lb. La plaque de verre lb peut également être rendue capable de diffuser elle-même la lumière, par augmentation de la rugosité de sa surface ou par tout autre procédé, ce qui permet de supprimer la couche 6 de diffusion de la lumière. L'épaisseur de la couche 4 de cristal liquide est de 2 >m et se règle au moyen d'un dispositif 7 de maintien à distance. Dans le cas d'éléments d'affichage de grande surface, il est avantageux de positionner les dispositifs 7 de maintien à distance non seulement à la périphérie de l'élément, mais également en son milieu. Pour éviter que ces dispositifs 7 de maintien à distance ne donnent, en cas de trop grandes dimensions, des points lumineux gênants sur le dispositif d'affichage, il y a lieu d'utiliser pour eux un matériau ayant un bas indice de réfraction, de manière qu'à ces emplacements il y ait réflexion totale. L'idéal, pour le fonctionnement, serait, dans ce cas, l'utilisation d'un cristal liquide 4 ferro-électrique- smectique ayant un angle de basculement théorique de 45 . L'utilisation d'un cristal liquide 4 ferro-électrique- smectique ayant un angle de basculement inférieur à 45 aboutit à ce que, dans l'état excité, une partie seulement de la lumière polarisée incidente 8 est réfractée dans le cristal liquide 4 et donne une image sur le dispositif d'affichage. L'autre partie de la lumière polarisée, inci- dente 8 est, dans l'état de fermeture optique, réfléchie par la surface limite entre la couche d'orientation 3 et le cristal liquide 4. Il n'en résulte qu'une diminution de l'intensité de l'information constituée par l'image, mais le mode de fonctionnement n'en est pas altéré. Dans le cas de l'exemple de réalisation en question, les différents éléments sont réalisés au moyen des maté- riaux mentionnés dans le tableau 1. Tableau 1 Elément Matériau Indice de réfraction Plaques de verre la, lb BK 7 1,52 Electrodes transparentes 2a,2b IT0 2,00 Couche d'orientation 3 Si 0 1,90 Cristal liquide Phase ferro- 1,455/1,625 électrique- smectique Dispositif de maintien Si 02 1,44 à distance 7 L'élément d'affichage décrit est utilisable pour la présentation des informations dans les domaines les plus variés par réalisation de dispositifs à segments, entiers ou à matrice. Les avantages spécifiques de l'invention résident avant tout dans le caractère actif qui fait que l'affichage est indépendant de la lumière environnante, que la qualité de l'image est améliorée et caractérisée par un fort pouvoir séparateur, que les durées de commuta- tion sont très réduites et que les coefficients multiplex sont élevés. Il en résulte qu'il est possible de réaliser des éléments d'affichage de grande surface. L'élément d'affichage ferro-électrique-smectique actif se distingue, en plus, par une structure techniquement simple et par une fabrication peu cofiteuse. Un autre avantage très important de l'élément d'affichage suivant l'invention, consiste en ce que l'information présentée ne comporte pas de variations de contraste dues à des défauts d'homogénéité de l'épaisseur de la couche. REVENDICATIONS 1 - Elément d'affichage actif à base de cristal liquide constitué par une cellule à cristal liquide comportant une plaque de verre, des électrodes transpa- rentes, une couche d'orientation, un cristal liquide, une couche dtorientation, des électrodes transparentes et une plaque de verre, les électrodes transparentes pouvant être un dispositif d'affichage à segments, entier ou à matrice, et par un dispositif d'éclairage envoyant latéralement de la lumière, polarisée linéairement, dans la plaque de verre arrière située du c8té opposé à l'ob- servateur, caractérisé en ce que le cristal liquide est un cristal liquide (4) ferro-électrique-smectique et en ce que le c8té de la cellule à cristal liquide qui fait face à l'observateur porte une couche (6) de diffusion de la lumière. 2 - Elément d'affichage selon la revendication 1, caractérisé.en ce que le cristal liquide (4) ferro- électrique-smectique est orienté de telle manière que, dans l'état de fermeture optique, les axes longitudinaux des molécules sont perpendiculaires à la direction de polarisation de la lumière incidente (8).