Brevet FR2624985A1 — publié le 19890623

La présente invention concerne les dispositifs optiques utilisant des cristaux liquides. La présente invention a été faite au Laboratoire de Physique des Solides de l'Université de Paris Sud, laboratoire associé au CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE numéro 04 0002. De nombreux travaux de recherche ont été conduits depuis au moins une quinzaine d'années sur les cristaux liquides.- Différents résultats des travaux de recherche effectués au Laboratoire de Physique des Solides de l'Université de Paris Sud sont décrits dans la demande de brevet français déposée le 28 avril 1982 sous le numéro 82 07309 et publiée sous le numéro 2 526 177, la demande de brevet français déposée le 23 octobre 1984 sous le numéro 84 16192 et publiée sous le numéro 2 572 210, la demande de brevet français déposée le 18 juin 1985 sous le numéro 85 09224 et publiée sous le numéro 2 587 506, ou encore la demande de brevet français déposée le 14 mai 1986 sous le numéro 86 06916 et publiée sous le numéro 2 598 827. Par ailleurs, les travaux relatifs aux cristaux liquides ont donné lieu à de nombreuses publications. On citera par exemple les documents : I) Applied Physics Letters volume 25, N. 9, novembre 1974, Urbach et AI : "Alignment of nematics and smectics on evaporated films", pages 479 à 481, 2) Letters in Applied and Engineering Sciences, volume 1, 1973, pages 19-24, Guyon et Al : 'tOn different boundary conditions of nematic films deposited on obliquely evaporated plates", et 3) Physical Review Letters,. volume 56, N. 19, Mai 1986, Durand et aI : "Order electricity and surface orientation in nematic liquid crystal, pages 2056 à 2059". Le document 1) Applied Physics Letters, volume 25, N. 9, novembre 1974, rapporte des essais expérimentaux opérés sur un dispositif à cristaux liquides comprenant une plaque sur laquelle un dépôt d'or ou de SiO, d'une épaisseur de d'ordre de 50 à 1000 A, a été précédemment effectué par évaporation sous incidence oblique. Selon les résultats consignés dans ce document, on peut obtenir soit une orientation planaire du cristal liquide, c'est-à-dire des molécules de cristal liquide orientées parallèlement aux plaques du dispositif, soit une orientation oblique du cristal liquide, c'est-à-dire des molécules de cristal liquide inclinées par rapport aux plaques. Selon ce document I) page 480, lignes 43 à 46, I'inclinaison oblique des molécules par rapport aux plaques est pratiquement indépendante de l'épaisseur du revêtement déposé par évaporation. Le document 2) Letters in Applied and Engineering Sciences, volume 1, pages'19-24, 1973, propose une modélisation des résultats consignés dans le document 1) Cette modélisation concerne le cas théorique d'un dépôt par évaporation présentant une épaisseur de 100 à 6000 . Le document 3) Physical Review Letters, volume 56, N. 19, Mai 1986, relate une analyse théorique concernant l'influence de la perturbation de l'ordre nématique, au niveau d'une interface nématique/ liquide isotrope. I1 ressort de cette analyse que la perturbation d'ordre à l'interface s'accompagne d'une énergie qui force les molécules à un angle dit "angle magique" défini par cos2 e = 1/3. La présente invention a maintenant pour but de proposer de nouveaux moyens permettant de définir, de façon simple, fiable et économique, une inclinaison oblique des molécules de cristaux liquides par rapport à une plaque du dispositif. La présente invention, qui repose sur de nombreuses études théoriques et constatations expérimentales propose à cet effet de définir sur une plaque du dispositif, une rugosité de l'ordre de grandeur moléculaire du cristal liquide considéré. De préférence, la rugosité ainsi définie sur la plaque du dispositif sera de l'ordre de grandeur de 20 à 40 A. Les inventeurs ont déterminé qu'une telle rugosité entraîne un gradient de paramètre d'ordre qui induit une polarisation ordoélectrique, associée à un champ dépolarisant qui tend à forcer les molécules du cristal selon une orientation oblique par rapport à la plaque. Plus précisément encore, en prolongeant leurs recherches, les inventeurs ont déterminé que, en définissant une direction préférentielle de rugosité, par exemple en déposant sur la plaque un revêtement rugueux par évaporation selon une direction déterminée, on pouvait obtenir à la fois une orientation oblique et une orientation azimutale contrôlées du cristal liquide, par rapport aux plaques. Plus précisément encore, l'orientation oblique et l'orientation azimutale du cristal liquide évoluent continuellement, dans un plan oblique par rapport aux plaques en fonction de l'épaisseur de la rugosité et de sa direction préférentielle, c'est-à-dire dans le cas d'une évaporation en fonction de la direction d'incidence. Cette disposition est susceptible de donner lieu à de nombreuses applications. En effet, il suffit de contrôler l'épaisseur de rugosité et sa direction préférentielle pour imposer à la fois I'orientatio.n oblique et l'orientation azimutale du cristal liquide. D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels - les figures 1 à 4 représentent, pour quatre expériences, l'orientation azimutale tp et le relèvement oblique (8 du cristal liquide en fonction de l'angle d'évaporation et de l'épaisseur d'un dépôt opéré sur une plaque,, - la figure 5 représente géométriquement l'orientation oblique et azimutale d'une molécule de cristal liquide par rapport à la direction d'évaporation, - la figure 6 représente deux courbes illustrant l'orientation azimutale et l'orientation oblique Y en fonction d'une épaisseur de dépôt, pour un angle d'évaporation déterminé, - les figures 7, 8 et 9A, 9B illustrent schématiquement trois applications de l'invention à des dispositifsà cristaux liquides nématiques, et - la figure 10 représente des courbes illustrant l'évolution de l'orientation oblique d'un cristal liquide smectique, sur chacune des deux faces du dispositif, en fonction d'une épaisseur de SiO déposée. ANALYSE CENERALE La présente invention repose sur l'analyse théorique suivante. Les cristaux liquides nématiques peuvent être considérés comme des liquides de quadrupoles électriques Q orientés pour lesquels on peut écrire Q = -e3/2 S( - T/3) relation dans laquelle - -e représente la densité de quadrupoles (-el0 cgs), - S représente le paramètre d'ordre du cristal liquide (S est compris entre O et 1), - n est le vecteur unitaire représentant l'orientation des molécules. En présence de variations spatiales, on obtient la polarisation électrique P = -V.=Q = 3/2 eV.S( -I/3). ~~ On sait que si, travaillant à S constant, V agit sur n, on obtient l'effet flexoélectrique et la polarisation P devient proportionnelle à la courbure (V. ). Si par contre on travaille à n constant et S variable, on obtient la polarisatioon ordoélectrique P = 3/2 eV S.[ - 1/3. Cette polarisation est en général oblique par rapport à #S. A cette polarisation est associé un champ dépolarisant défini par Dz = O = 4TC Pz + e Ez ( où z' est la direction de L'énergie associée a une densité 1/2 (E/4R) EZ2 = 1/2 (4Tt/) pZ2- Cette énergie est minimum pour p z = O, c'est-à-dire pour une orientation oblique e par rapport à 7 définie par cos# = 1/3. BASE DE L'INVENTION ET PREMIERS RESULTATS D'ESSAI Partant de l'analyse générale ci-dessus, selon laquelle un gradient du paramètre d'ordre doit conduire à une sollicitation du cristal liquide selon une orientation oblique par rapport aux plaques, les inventeurs ont proposé l'idée de contrôler le paramètre d'ordre S, en surface d'un dispositif à cristaux liquides, par dépôt sur une plaque du dispositif de petits grains dont la taille est de l'ordre de grandeur de la taille moléculaire du cristal liquide considéré, c'est-à-dire de l'ordre de 20 à 40 A. Les expériences ont été conduites en utilisant tin cristal liquide nématique présentant une orientation parallèle à la surface de la plaque, mais dégénérée en présence d'une plaque polie, c'est-à-dire de direction variable dans un plan parallèle à la surface de la plaque. Plus précisément les inventeurs ont contrôlé l'orientation du cristal liquide pour différents couples d'angle d'évaporation et d'épaisseur des grains déposés. Les inventeurs ont constaté que la réalisation d'un état de surface rugueux par évaporation selon une direction déterminée, permettait d'obtenir non seulement une orientation oblique des molécules de cristal liquide par rapport aux plaques, mais également une orientation azimutale contrôlée et variable par rapport à la direction d'évaporation. Les premiers résultats obtenus sont consignés sur les figures 1 à 4 et 6 annexées. Ces résultats sont illustrés en référence au modèle géométrique représentés sur la figure 5. Ce modèle géométrique comprend un système de coordonnées à Trois axes x, y et z, orthogonaux entre eux. Les axes x, y s'étendent parallèlement à la plaque P considérée. L'axe z s'étend perpendiculairement à cette plaque P, en direction du volume du cristal liquide. La direction d'évaporation colncide arbitrairement avec le plan défini par les axes x et z. L'incidence de la direction d'évaporation, qui correspond à l'inclinaison entre la direction d'évaporation et l'axe z est définie par l'angle d L'orientation oblique du cristal liquide, qui correspond à l'inclinaison entre l'axe z et l'axe longitudinal des molécules de cristal liquide est illustrée par l'angle e sur la figure 5.Le complément de cet angle e est référencé tp Enfin, I'orientation azimutale du cristal liquide, qui correspond à l'inclinaison entre l'axe x et la projection sur le plan xy de l'axe longitudinal des molécules est illustrée par l'angle référencé k4 sur la figure 5. On a illustré sur la figure 1 annexée l'évolution de l'orientation azimutale 9 pour du cristal liquide MBBA en fonction de l'angle d'évaporation et de l'épaisseur d'un dépôt de SiO sur du verre ordinaire. Pour une épaisseur de dépôt inférieure à 5 , on constate que les molécules de cristal liquide sont orientées parallèlement aux plaques, mais dans des directions aléatoires. Lorsque l'épaisseur du dépôt atteint 5 , la dégénérescence est levée, c'est-à-dire que les molécules s'orientent parallèlement à elles-mêmes et perpendiculairement au plan xz définissant la direction d'évaporation. A ce stade l'orientation azimutale 9 des molécules égale 90 , et l'orientation oblique 43' = 90". Cette position initiale des molécules est illustrée schématiquement sur la figure 5 sous la référence M'. Lorsque l'épaisseur du dépôt augmente encore, on obtient en fonction de l'angle d'évaporation i une rotation azimutale progressive des molécules dans un plan oblique par rapport à la plaque P. Le cristal liquide passe alors d'un domaine pour lequel l'orientation azimutale tp égale 900 à un domaine azimutal pour lequel ) peut atteindre 00, c'est-à-dire un domaine pour lequel les molécules sont orientées sensiblement parallèlement au plan xz contenant la direction d'évaporation. La rotation azimutale s accompagne d'un relèvement des molécules ; lorsquetPpasse progressivement de 90 0 à 0", - passe de 0 à environ 20-30 . La plage hachurée sur la figure 1 correspond à la plage de valeurs de l'angle d'évaporation i et de l'épaisseur d'évaporation pour lesquelles l'orientation azimutale varie progressivement entre 90 et 0 et l'orientation oblique # varie progressivement entre 0 et environ 20-300. Cette variation progressive de lrorientation azimutale 9 et de l'orientation oblique 8), contrôlable en fonction de la rugosité, constitue une caractéristique essentielle de l'invention, originale par rapport à l'art antérieur selon lequel seules les bornes 9 = 90 ou O et # = O ou 20-300 étaient connues. Des résultats comparables sont illustrés sur la figure 2 annexée. Cette figure 2 concerne des essais réalisés dans les mêmes conditions opératoires, c'est-à-dire dépôt par évaporation de SiO sur du verre ordinaire, pour différentes valeurs d'angle d'évaporation et d'épaisseur de dépôt, mais à la différence de la figure 1, en utilisant du cristal liquide 5 CB au lieu de MBBA. Les figures 3 et 4 représentent de façon similaire la valeur de l'orientation azimutale # en fonction de l'angle d'évaporationod et de l'épaisseur de dépôt de -SiO, sur une lame ITO, respectivement pour du cristal liquide MBBA d'une part, et 5CB d'autre part. Les figures 2, 3 et 4, comme la figure I précitée, révèlent une plage (hachurée sur les figures) de couples de valeurs, angle d'évaporation d /épaisseur de dépôt, pour lesquelles l'orientation azimutale X passe progressivement de 90" à Oc. La figure 6 représente l'évolution simultanée de l'orientation azimutale kp et de l'orientation oblique4 > en fonction de l'épaisseur d'un dépôt de SiO évaporé sur une lame ITO avec une incidence Dg de 74", avec utilisation d'un cristal liquide 5CB. En accord avec les résultats illustrés sur la figure 4, on reconnaît que l'orientation azimutale 9 passe progressivement de 90" à 0" pour une épaisseur de dépôt comprise sensiblement entre 30 et 40 . En parallèle, on aperçoit que l'orientation oblique 9) se relève progressivement de 0 à 20 pour une épaisseur d'évaporation allant de 30 à 40 A. En conclusion, les essais réalisés par les inventeurs ont permis d'observer que le substrat nu, avant évaporation, favorise une orientation planaire, c'est-à-4dire parallèle à la surface, mais dégénérée. Quand la quantité moyenne évaporée (de SiO) atteint 5 AC, la dégénérescence azimutale est levée, mais l'ancrage reste planaire. Au-dessus de 10A d'évaporation moyenne, on observe un relèvement du nématique, qui tourne dans un plan oblique de sa position planaire initiale, perpendiculaire à la direction d'évaporation, jusqu'à une position oblique vers la direction d'évaporation. Bien entendu la réalisation d'un état rugueux sur les plaques, apte à générer un gradient d'ordre, et de là grâce à la polarisation ordoélectrique induite, à solliciter un relèvement du cristal liquide selon une orientation oblique par rapport aux plaques, peut être opéré par d'autres moyens qu'une évaporation, tel que par exemple, par attaque chimique, pulvérisation, ou encore bombardement ionique. On va maintenant évoquer dans la suite de la description différents exemples d'applications de la présente invention, non limitatifs. APPLICATION A LA REALISATION D'AFFICHEURS NEMATIQUES SUPER TWISTES On tente de developper de nos jours des afficheurs nématiques présentant des directions d'ancrage sur' les deux plaques, inclinées relativement d'un angle 2r supérieur à 90 , avec orientation oblique ç par rapport à au moins l'une des plaques, comme illustré schématiquement sur le figure 7 annexée,pour autoriser un multiplexage du dispositif et obtenir un contraste satisfaisant. L'état de surface rugueux conforme à la présente invention permet d'obtenir aisément une orientation oblique YJ de 10 à 20 par rapport aux plaques, et une orientation azimutale contrôlée. APPLICATION A LA REALISATION D'ANCRAGES NEMATIQUES BISTABLES. Les inventeurs ont par ailleurs déterminé que les molécules du cristal liquide sont susceptibles de prendre deux orientations azimutales symétriques par rapport au plan xz contenant la direction d'évaporation. On a ainsi illustré schématiquement sur la figure 8 deux orientations azimutales symétriques par rapport au plan xz défini par -la direction d'évaporation. En choisissant l'angle d'évaporation Q( et l'épaisseur d'évaporation sur une plaque de telle sorte que l'orientation azimutale (p par rapport au plan xz soit de l'ordre de + 45", on peut aisément, par application d'un champ électrique externe provoquer le basculement contrôlé des molécules d'une orientation azimutale à l'autre sur ladite plaque. On obtient ainsi une modification de l'orientation azimutale des molécules de l'ordre de 90 , permettant d'obtenir un contraste maximum, si le dispositif est placé entre des polarisateurs. En l'absence de champ électrique les positions obtenues du cristal liquide restent stables. Si une électrode ou plaque est pourvue d'un état de surface rugueux, on obtient deux domaines + tP . Si les deux électrodes ou plaques sont pourvues d'un état de surface rugueux on peut obtenir quatre domaines: +a ++b; +a 9 a +Pb; a - ,en considérant que les indices a et b désignent respectivement les plaques supérieure et inférieure. APPLICATION AUX DISPOSITIFS A CRISTAL LIQUIDE NEMATIQUE AU SEUIL D'INSTAESILITE Dans le cadre de la troisième application envisagée de l'invention à la conception des -dispositifs à cristal liquide nématique, il est défini un ancrage planaire et parallèle sur les deux plaques du dispositif, comme illustré sur la figure 9A. Cependant, sur l'une des plaques, on contrôle l'angle d'évaporation d et l'épaisseur d'évaporation d'un dépôt pour placer le cristal liquide au voisinage de la plage de transition hachurée sur les figures 1 à 4. le cristal liquide est ainsi placé au voisinage d'un seuil d'instabilité, c'est-à-dire au voisinage d'un seuil de basculement azimutal.Cette disposition facilite le basculement du cristal liquide vers une formation hélicoîdale, par application d'un champ électrique extérieur, comme cela est connu en soi et tel qu'illustré schématiquement sur la figure 9B. En variante on peut définir initialement une disposition hélicoidale du cristal liquide, proche d'un seuil d'instabilité, et transformer cette disposition hélicoidale en une orientation parallèle des molécules par application d'un champ électrique externe. APPLICATION DE L'INVENTION AU CONTROLE DE LA POLARITE DES INTERFACES SOLIDES-SMECTIQUES C -FERROELECTRIQUES. Les afficheurs à smectique C ferroélectriques, lorsqu'ils présentent un ancrage de surface dégénéré, permettent en théorie deux positions des molécules symétriques par rapport aux couches smectiques. Dans une de ces positions, le dipôle électrique des molécules est orienté vers l'électrode, dans l'autre position, il est orienté vers le volume, par un champ appliqué extérieur. En théorie, ces deux positions devraient être équivalentes et permettre la réalisation d'affichage bistables. Cependant dans la pratique, on constate qu'au lieu d'un affichage bîstable entre deux états symétriques, on obtient des affichages monostables sur des textures tordues dont le contraste est mauvais et qui ne peuvent être multiplexés. Les inventeurs ont déterminé que ce phénomène était dû au fait que l'interface électrode/cristal liquide est polaire. Cette polarisation semble de nature chimique (différence d'affinité entre la surface et une partie des molécules). La présente invention permet d'annuler la polarisation chimique grâce à une polarisation ordoélectrique induite par création d'un gradient d'ordre nématique; dans la phase smectique,de signe et amplitude convenables. Pour obtenir une bonne compensation de la polarité chimique on peut prendre des interfaces très polies, sur lesquelles l'ordre nématique est supérieur à la valeur en volume, ou des interfaces rugueuses sur lesquelles l'ordre en surface est inférieur. On a illustré sur la figure 10 l'orientation 9 S du cristal liquide ainsi obtenu sur les plaques inférieure et supérieure de dispositif pour différentes valeurs d'épaisseur d'un dépôt de SiO opéré par évaporation selon une incidence t de 81" sur des plaques ITO séparées de 3um, respectivement pour des températures de 550C et 48,0 C. Bien entendu la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation et applications précités. Elle s'étend à toute variante conforme à son esprit. REVENDICATIONS 1. Procédé de préparation d'un dispositif à cristaux liquides, caractérisé par le fait qu'il comprend l'étape consistant à définir une rugosité de l'ordre de grandeur moléculaire du cristal liquide utilisé sur l'une au moins des plaques. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la rugosité réalisée sur l'une au moins des plaques du dispositif possède une épaisseur comprise entre 20 et 40 A. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que la rugosité est réalisée sur l'une au moins des plaques du dispositif à l'aide de l'une des techniques suivantes : dépôt d'un revêtement par évaporation, dépôt d'un revêtement par pulvérisation, attaque chimique ou bombardement ionique. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la rugosité est réalisée sur l'une au moins des plaques avec contrôle d'une direction préférentielle de rugosité, par exemple par contrôle d'une direction d'évaporation, pour obtenir à la fois une orientation des molécules du cristal liquide oblique par rapport à au moins une plaque, et une orientation azimutale des molécules par rapport à la direction préférentielle de rugosité. 5. Dispositif à cristaux liquides obtenu par la mise en oeuvre du procédé conforme à l'une des revendications 1 à 4 du type comprenant deux plaques parallèles et une matière comprenant des molécules de cristal liquide placée entre les deux plaques, caractérisé par le fait que l'une au moins des plaques présente sur sa surface adjacente au cristal liquide une rugosité de l'ordre de grandeur moléculaire du cristal liquide considéré. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que la rugosité réalisée sur l'une au moins des plaques possède une épaisseur comprise entre 20 et 40 . 7. Dispositif selon Itune des revendications 5 et 8, caractérisé par le fait qu'une rugosité est réalisée sur chacune des deux plaques du dispositif. 8. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé par le fait que le cristal liquide est un cristal liquide nématique. 9. Dispositif selon l'une des revendications .5 à 7, caractérisé par le fait que l'épaisseur et l'orientation de la rugosité sur l'une au moins des plaques sont adaptes pour définir une orientation oblique Y/du cristal liquide par rapport à l'une au moins des plaques et des directions d'ancrage sur les deux plaques inclinées relativement d'un angle ss supérieur à 90 , pour la réalisation d'afficheurs nématiques supertwistés. 10. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé par le fait que la rugosité possède une direction préférentielle, définie par exemple par une direction d'évaporation, que l'épaisseur et l'orientation de la rugosité sur l'une au moins des plaques sont adaptées pour définir deux orientations azimutales Ap possibles des molécules du cristal liquide symétriques par rapport à la direction préférentielle de rugosité et de l'ordre de 45C par rapport à cette direction, et qu'il comprend des moyens permettant d'appliquer un champ électrique externe au dispositif pour provoquer le basculement contrôlé des molécules d'une orientation azimutale à l'autre, afin de réaliser des ancrages nématiques bistables. 11. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé par le fait que l'épaisseur et l'orientation de la rugosité sur l'une au moins des plaques sont adaptées pour placer le cristal liquide au voisinage d'un seuil de basculement azimutal afin de faciliter ce basculement lors de l'application d'un champ électrique externe. 12. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé par le fait que le cristal liquide est un smectique C ferroélectrique et que l'épaisseur et l'orientation de la rugosité sur l'une au moins des plaques sont adaptées pour définir une polarisation ordoélectrique annulant la polarisation globale en surface.