Brevet FR2666923A2 — publié le 19920320

FR 2666923 A2 19920320 FR 9011548 A 19900919 La présente invention concerne des perfectionnements aux afficheurs à cristal liquide nématique, à bistabilité de surface, commandés par effet flexoélectrique, décrits dans la demande de brevet français déposée le 22.06.1990 sous le n" 90 07 847. Cette demande de brevet français nO 90 07 847 sera dénommée demande de brevet principal par la suite. On a décrit dans la demande de brevet principal un dispositif optique à cristaux liquides à effet bistable du type comprenant deux plaques transparentes pourvues d'électrodes de commande et un matériau cristal liquide nématique placé entre les plaques, dans lequel les plaques transparentes présentent un traitement de surface apte à définir deux configurations stables de molécules de matériau cristal liquide générant respectivement deux polarisations flexoélectriques ayant des composantes de sens opposés normales aux électrodes (ces deux configurations ou textures stables seront dénommées respectivement A et B par la suite) et il est prévu des moyens d'alimentation électrique aptes à appliquer au dispositif des impulsions de champ électrique perpendiculaire aux plaques, orientées sélectivement dans un sens ou dans l'autre. La présente invention vient maintenant perfectionner ce dispositif en proposant des moyens d'alimentation électrique conçus pour appliquer successivement au dispositif - au moins une impulsion de commande apte à induire une orientation généralement homéotrope homogène du cristal liquide, puis - une impulsion de contrôle, d'amplitude plus faible que l'impulsion de commande, et de polarité choisie selon l'état final requis. Comme cela sera expliqué par la suite, l'impulsion de commande peut faire l'objet de plusieurs variantes. Elle est par ailleurs de polarité quelconque. Les perfectionnements ainsi proposés permettent notamment une commande simple par multiplexage d'un afficheur nématique bistable. Pour cela, selon une caractéristique avantageuse de la présente invention, le dispositif optique, dans lequel les électrodes de commande sont agencées en N lignes et M colonnes définissant une matrice de NM pixels à leurs intersections, est caractérisé par le fait que les impulsions de commande sont appliquées successivement sur les N électrodes de ligne, tandis qu'à la fin de chaque impulsion de commande, des impulsions de contrôle de polarité respectivement choisie sont appliquées simultanément sur l'ensemble des M électrodes de colonne. Les impulsions nécessaires au multiplexage du dispositif à cristal liquide sont ainsi beaucoup plus simples que celles utilisées par le passé, notamment pour le multiplexage des smectiques ferroélectriques C*. Des exemples de signaux de commande jusqu'ici proposés pour les smectiques ferroélectriques C* sont décrits dans les documents suivants : 1) J.M. Geary, Proceedings of SID'85,pp. 128-130 (1985), 2) S.T. Lagerwall, J. Wahl and N.A. Clark, Proceedings of International Display Research Conference, Ferroelectric Liquid Crystals for Displays, pp. 213-220 (1985) 3)- S. Shimoda, K. Ito, T. Harada, M. Taguchi, K. Iwara, M. Kai, Proceedings of Japan Display '86, pp. 460-462 (1986). Selon la présente invention, l'impulsion de commande peut être une impulsion carré unique, comprendre deux impulsions carré successives de polarité opposées ou encore comprendre une série d'impulsions haute fréquence. Selon une autre caractéristique avantageuse de la présente invention, l'amplitude des impulsions de commande est comprise entre 1 et 100 Volts, typiquement entre 10 et 20 Volts, tandis que la durée des impulsions de commande est supérieure à 1 jais, typiquement comprise entre 20 et 50 ps. Selon une autre caractéristique avantageuse de la présente invention, l'amplitude des impulsions de contrôle est comprise entre 0,1 et 10 Volts, typiquement entre 0,1 et 5 Volts, tandis que la durée des impulsions de contrôle est supérieure à 10 ps, typiquement comprise entre 25 et 50 ps. Le début des impulsions de contrôle peut coin- cider avec la fin des impulsions de commande. En variante, le début des impulsions de contrôle peut précéder la fin des impulsions de commande. I1 est important que les impulsions de contrôle persistent après la fin des impulsions de commande pendant au moins 10 à 50 ps. D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaitront 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 - la figure 1 représente schématiquement un premier exemple de signaux de commande et de signaux de contrôle conformes à la présente invention, - la figure 2 représente schématiquement un deuxième exemple de signaux de commande et de signaux de contrôle conformes à la présente invention, - la figure 3 représente sous forme de tableau les différents états obtenus en fonction des signaux de commande et de contrôle appliqués, et - la figure 4 représente schématiquement un afficheur matriciel commandé par multiplexage conformément à la présente invention. Rappel de la structure et du fonctionnement de l'afficheur nématique bistable décrit dans la demande de brevet principal n" 90 07 847. L'afficheur décrit dans la demande de brevet principal comprend deux textures nématiques A et B généralement planaires, de même énergie, mais de polarisation flexoélectriques différentes. A et B sont donc deux textures polaires. Ces textures sont contrôlées par des électrodes convenablement traitées pour réaliser un ancrage parallèle aux électrodes (planaire vrai) ou oblique. Le nématique est choisi avec une anisotropie diélectrique forte, par exemple positive (Ea a= 10 pour le corps nématique 5CB). On a décrit dans la demande de brevet principal, un procédé de commande de l'afficheur consistant à appliquer sur le dispositif une impulsion électrique carrée d'amplitude V (1 voltez V t100 volt) et de durée s (1 lus A la fin de l'impulsion, le système peut retourner sur l'une des deux textures stables A ou B. En fait, il ne revient pas au hasard. La texture finale choisie dépend de la polarité de l'impulsion appliquée. Si le système est dans l'état A, une impulsion positive par exemple, de tension IVt > v5 (T) va le faire passer dans l'état B. L'application d'une autre tension identique de même polarité laisse le système dans l'état B. L'application d'une impulsion négative -V ( 7 Vs(r)) rebascule le système dans l'état A. v5 (T) est une tension seuil, dépendant de , décrite dans la demande 90 07 847. La polarité de l'effet s'explique par le couplage entre la polarisation flexoélectrique des états A et B et le champ résiduel dans la cellule quand on a juste coupé l'impulsion. Si l'on enlève les charges des électrodes, comme expliqué dans la demande 90 07 847, ce champ résiduel est le champ dépolarisant créé par les ions présents dans la cellule, après dopage ou non du nématique. En pratique, on annule brutalement la tension aux bornes de la cellule. I1 reste alors des charges hors d'équ-ilibre non seulement près des électrodes (les ions), mais aussi sur les électrodes. La distribution de champ dans la cellule est plus complexe, mais le signe de tous les champs et de toutes les charges résiduelles est strictement lié au signe de l'impulsion électrique V appliquée. Le couplage flexoélectrique global du champ résiduel dû aux ions hors d'équilibre près des électrodes et des polarisations flexoélectriques du nématique (et plus généralement des gradients de champ dépolarisant et des moments quadrupolaires électriques du nématique) favorise toujours le retour du système vers celui des états A ou B dont l'énergie en régime transitoire est la plus basse, compte tenu du signe de l'impulsion de commande. Objet de l'invention. Les perfectionnements apportés par la présente invention concernent la phase transitoire de retour à l'équilibre où, après cassure de l'orientation de surface, le système a le choix de retourner vers l'un des deux états A ou B. I1 peut paraître délicat, en pratique, de dépendre de la concentration des ions dans la cellule pour assurer la commutation vers celui des deux états, A ou B, désiré. Pour mieux contrôler ce retour, indépendamment des ions présents dans la cellule, les inventeurs proposent, comme indiqué précédemment, d'appliquer successivement au dispositif : 1) au moins une impulsion de commande apte à induire une orientation généralement homéotrope homogène du cristal liquide, puis 2) une impulsion de contrôle, d'amplitude plus faible que l'impulsion de commande, et de polarité choisie selon l'état final requis. Un exemple de tels signaux successifs de commande et de contrôle est représenté sur la figure 1 annexée. On aperçoit sur cette figure 1, une impulsion de commande carré Ca de tension V (|V| > Vs (#) comme décrit dans la demande de brevet principal) appliquée au temps 1. L'impulsion de commande Ca se termine au temps 2. Elle dure le temps r. Selon la présente invention, l'impulsion de commande Ca est maintenant suivie d'une deuxième impulsion Co, dite de contrôle, d'amplitude +v avec 0,1 Voltez lvi # Vs (f) s Typiquement, lvi est de l'ordre de +5 volts. L'impulsion de contrôle Co est maintenue entre les temps 2 et 3, c'est-à-dire pendant un temps 2' avec 10 ps L'impulsion de contrôle Co permet de contrôler la polarité du champ dans la cellule entre les instants 2 et 3 où le système va commuter de l'orientation homéotrope homogène obtenue par l'impulsion de commande Ca d'amplitude V à l'instant 2, vers l'un des états A ou B de polarité définie. En utilisant une excitation à deux impulsions successives, respectivement de commande Ca et de contrôle Co, comme indiqué sur la figure 1, on constate les effets suivants. Supposons le système dans l'état A, tel que l'application d'une impulsion de commande Ca positive d'amplitude V le fasse passer en B, en l'absence d'impulsion de contrôle v, comme indiqué dans la demande de brevet principal. L'application d'une impulsion de contrôle Co d'amplitude v > 0 avec v > vs(#')(vs(50 s) = 3 volt) inhibe le basculement de A vers B. Le système reste dans A. Inversement, l'application d'une impulsion de contrôle Co négative -v-(quelle que soit son amplitude), favorise toujours le basculement de A vers B. De façon symétrique, pour une impulsion de contrôle Co nulle v = O, il faut appliquer une tension de commande v o 0 pour commuter de B vers A. Une tension de contrôle Co positive v > 0 favorise toujours le basculement de B vers A, quelle que soit son amplitude. Par contre, une tension de contrôle Co négative -v 4 0 (lvi > vS(#') comme précédemment) empêche le basculement de B vers A. Finalement, l'état obtenu après retour à l'équilibre ne dépend que de la polarité de l'impulsion de contrôle Co si l'amplitude v de cette impulsion de contrôle Co est choisie au-dessus du seuil Iv5I # 3 volt, et ne dépend pas de la polarité de l'impulsion de commande Ca. Les moyens proposés par la présente invention permettent donc de séparer les fonctions : l'impulsion de commande Ca d'amplitude V casse l'orientation de surface, et l'impulsion de contrôle Co, d'amplitude v (|v| > vs (#')) contrôle par son signe la polarité de l'état final A ou B. Le seuil vs (#') de l'impulsion de contrôle Co correspond à la compensation par cette impulsion v de la polarité contrôlée par les ions. Ce seuil v5 baisse en prenant un cristal liquide moins conducteur. v r vs (#') veut dire que l'impulsion de contrôle a un effet supérieur à l'effet du champ dépolarisant des ions. La table de commutation obtenue est donnée sur la figure 3 où les états utiles (|v| (JvI 7 v5 (T')) sont indiqués en gras, et où on a supposé |v| > Vs (#). On constate sur le tableau de la figure 3 que si l'on choisit une impulsion de contrôle Co d'amplitudeD supérieure au seuil (soit Ivl > vs (t ce qui correspond aux états en caractères gras, l'état final ne dépend que du signe de l'impulsion de contrôle Co. Les états "maigres illustrés sur le tableau de la figure 3 correspondent au fonctionnement décrit dans la demande de brevet principal. Application au multiplexage d'un afficheur nématique bistable. Les moyens précités permettent un contrôle simple de l'afficheur, par multiplexage. Supposons comme représenté schématiquement sur la figure 4, un afficheur matriciel comprenant N électrodes de ligne référencées 18-1 à 18-N sur une première plaque et M électrodes de colonne référencées 19-1 à 19-M sur la seconde plaque. Chaque pixel défini par l'intersection d'une électrode de ligne et d'une électrode de colonne est identifié par ses coordonnées i, j. Le procédé de multiplexage conforme à la présente invention est le suivant. On ouvre successivement chaque ligne 18-1 à 18-N, par exemple la ligne i, en l'excitant par une tension de commande Ca d'amplitude V( > Vs(T)) de polarité arbitraire. L'impulsion de commande Ca est appliquée sur la ligne i, selon l'illustration schématique de la figure 4, les autres lignes ne reçoivent pas de signal (V = 0). A la fin de l'excitation par l'impulsion de commande V, toute la ligne i est effacée, les molécules du cristal liquide prennent une orientation homéotrope. On envoie ensuite en parallèle des impulsions de contrôle Co d'amplitude +lvl( v 7 vS(T')) sur toutes les colonnes M simultanément, suivant l'état désiré des différents pixels i, j (1 4 j 4 M) de la ligne i. Les impulsions de contrôle Co d'amplitude + v sont appliquées juste à la fin de l'impulsion de commande Ca d'amplitude V. Les pixels i, j (1 6 j 4 M) de cette ligne sont alors placés dans les états A ou B, suivant le signe de la petite impulsion de contrôle v. Les autres lignes, non ouvertes (V = 0), sont insensibles à l'impulsion de contrôle Co et conservent leurs états A ou B.Pour plus de commodité, on pourra commencer l'application de l'impulsion de contrôle Co avant la fin de l'impulsion de commande Ca. L'important est que l'impulsion de contrôle Co persiste 10 à 50 ps après la fin de l'impulsion de commande Ca. Après la ligne i, on ouvrira successivement les lignes i + 1, i + 2, etc, qui seront effacées et réinscrites, pour tracer la nouvelle image. Chaque ligne est donc successivement effacée, par une impulsion de commande Ca d'amplitude V pendant le temps r, et réinscrite par une impulsion de contrôle Co d'amplitude v pendant le temps r qui succède à . Le temps total pour effacer et inscrire une ligne est donc, selon le procédé précité r 't', ajustable en variant l'impulsion de commande Ca et l'impulsion de contrôle Co. Le temps total pour effacer et inscrire une image complète est alors N(t + Or'). Cependant, on peut avantageusement ouvrir la ligne i + 1 avec une impulsion de commande Ca, pendant le temps t' d'inscription de la ligne précédente i avec des impulsions de contrôle Co. Le temps total d'inscription d'une image complète est alors seulement N xT au lieu de N(T + t'). Pour éviter des effets électrochimiques, on peut alterner le signe de l'impulsion de commande V d'une image à l'autre, ou même, remplacer l'impulsion de commande Ca d'amplitude V continue par une impulsion de commande Ca d'amplitude V haute fréquence. Une telle impulsion de commande haute fréquence est représentée schématiquement sous forme axe deux impulsions successives Cal, Cade polarités opposées, sur la figure 2. Dans le cas d'une excitation haute fréquence, le seuil vs de l'impulsion de contrôle Co est nul puisqu'il n'y a plus de mémoire polaire des ions. L'amplitude v de l'impulsion de contrôle Co pourra être diminuée. La polarité absolue des états A et B dépend du signe de la constante flexoélectrique du nématique et des angles d'oblicité d'orientation sur chaque électrode.Elle n'a aucune importance dans le fonctionnement de l'afficheur, puisque il suffit de changer le signe de l'impulsion de contrôle Co pour favoriser un état ou l'autre. En conclusion, le système d'afficheur nématique bistable, à bistabilité de surface contrôlé flexoélectriquement, décrit dans la demande de brevet principal n 90 07 847 peut être multiplexé très simplement grâce aux moyens proposés par la présente invention. Pour cela, on excite séquentiellement chaque électrode de ligne par une impulsion de commande continue Ca d'amplitude V comprise entre 1 et 100 Volts, typiquement 10 et 20 Volts de durée supérieure à 1 ps, typiquement comprise entre 20 et 50 ps, de signe arbitraire, ou même haute fréquence, qui casse l'orientation de surface et efface la ligne. On applique juste après l'impulsion de commande Ca, une impulsion de contrôle Co d'une amplitude v comprise entre 0,1 et 10 Volts, typiquement de l'ordre de 5 Volts et de duree supérieure à 10 }is, typiquement comprise entre 25 et 50 lus, en parallèle sur toutes les colonnes. Si l'amplitude v de l'impulsion de contrôle Co est supérieure au seuil requis (soit lvi > v5 (T') de l'ordre de 3 volts), l'état final des pixels ne dépend que de la polarité de l'impulsion de contrôle Co. Le seuil d'amplitude VS de l'impulsion de contrôle Co est nul pour une excitation de commande haute fréquence. En pratique, on peut alors prendre une impulsion de contrôle Co ayant une amplitude de l'ordre de 0,1 volt. L'excitation séquentielle des lignes est poursuivie pour balayer toute l'image. Ce procédé de multiplexage conforme à la présente invention est beaucoup plus simple que ceux proposés précédemment pour le multiplexage des smectiques ferroélectriques smectiques C*. Pour ces derniers, en effet, on utilise généralement, outre une impulsion d'effacement, une double impulsion d'écriture, toutes ces impulsions (4 par exemple), étant à forte tension. Le procédé conforme à la présente invention1 n'utilise qu'une "forte" tension V de commande, et une faible tension + v de contrôle. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation particuliers qui viennent d'être décrits, mais s'étend à toutes variantes conformes à son esprit. REVENDICATIONS 1. Dispositif optique à cristaux liquides à effet bistable du type comprenant deux plaques transparentes pourvues d'électrodes de commande et un matériau cristal liquide nématique placé entre les plaques, dans lequel les plaques transparentes présentent un traitement de surface apte à définir deux configurations stables de molécules de matériau cristal liquide générant respectivement deux polarisations flexoélectriques ayant des composantes normales aux électrodes de sens opposés et il est prévu des moyens d'alimentation électrique aptes à appliquer au dispositif des impulsions de champ électrique perpendiculaire aux plaques, orientées sélectivement dans un sens ou dans l'autre, selon l'une au moins des revendications de la demande de brevet principal, caractérisé par le fait que les moyens d'alimentation électrique sont conçus pour appliquer successivement au dispositif - au moins une impulsion de commande Ca apte à induire une orientation généralement homéotrope homogène du cristal liquide, puis - une impulsion de contrôle Co, d'amplitude plus faible que l'impulsion de commande, et de polarité choisie selon l'état final requis. 2. Dispositif optique selon la revendication 1, dans lequel les électrodes de commande sont agencées en N lignes (18-1 à 18-N) et M colonnes (19-1 à 19-M) définissant une matrice de NM pixels à leurs intersections, caractérisé par le fait que les impulsions de commande (Ca) sont appliquées successivement sur les N électrodes de ligne, tandis qu'à la fin de chaque impulsion de commande, des impulsions de contrôle (Co) de polarité respectivement choisie sont appliquées simultanément sur l'ensemble des M électrodes de colonne. 3. Dispositif optique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que l'impulsion de commande (Ca) est une impulsion carré unique. 4. Dispositif optique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que l'impulsion de commande (Ca) comprend des impulsions carré successives de polarités opposées (Cal, Ca2). 5. Dispositif optique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que l'impulsion de commande (Ca) comprend une série d'impulsions haute fréquence. 6. ,Dispositif optique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que l'amplitude des impulsions de commande (Ca) est comprise entre 1 et 100 Volts, typiquement entre 10 et 20 Volts. 7. Dispositif optique selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que la durée des impulsions de commande (Ca) est supérieure à 1 ps, typiquement comprise entre 20 et 50 ys. 8. Dispositif optique selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que l'amplitude des impulsions de contrôle (Co) est comprise entre 0,1 et 10 Volts, typiquement entre 0,1 et 5 Volts. 9. Dispositif optique selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que la durée des impulsions de contrôle (Co) est supérieure à 10 Ps, typiquement comprise entre 25 et 50 usus. 10.Dispositif optique selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que le début des impulsions de contrôle (Co) coïncide avec la fin des impulsions de commande (Ca). 11.Dispositif optique selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que le début des impulsions de contrôle (Co) précède la fin des impulsions de commande (Ca). 12. Dispositif optique selon la revendication 1Q ou 11, caractérisé par le fait que les impulsions de contrôle (Co) persistent après la fin des impulsions de commande (Ca) pendant au moins 10 à 50 ps. 13. Dispositif optique selon l'une des revendications 1 à 12 prise en combinaison avec la revendication 2, caractérisé par le fait que le début de l'impulsion de commande (Ca) sur l'électrode de ligne i + 1 coïncide sensiblement avec la fin de l'impulsion de commande (Ca) sur l'électrode de ligne i.