Brevet FR2718255A1 — publié le 19951006

ECRAN COULEUR REFLECTIF Le domaine de l'invention est celui des écrans plats couleur et plus précisément celui des écrans plats utilisant des mélanges électrooptiques pour restituer une des couleurs primaires rouge, vert, bleu. Actuellement, les écrans à cristaux liquides LCD représentent de bons candidats pour la fabrication d'écrans réflectifs passifs c'est-à- dire pour lesquels seul suffit un éclairage frontal en lumière blanche ambiante. Cependant, et bien qu'il soit possible de réaliser des LCD monochromes réflectifs de faible consommation (tels que ceux employés pour les dispositifs de montre-poignet), il n'existe pas encore d'écran LCD couleur réflectif et passif. En effet, pour qu'un dispositif LCD présente de bonnes caractéristiques colorimétriques, il a toujours été nécessaire d'utiliser un rétroéclairage (consommateur d'énergie, volumineux et coûteux). Cette nécessité est liée essentiellement à deux facteurs. D'une part, la génération de couleurs à partir des couleurs primaires additives (rouge, vert, bleu) limite l'efficacité lumineuse au mieux à 33 %. En effet, aussi bien pour les écrans LCD avec rétroéclairage que pour les écrans émissifs, les couleurs sont obtenues par juxtaposition des pixels colorés rouges, verts et bleus. Ces derniers sont obtenus à partir de filtres qui absorbent au moins les deux tiers du spectre de la lumière incidente. D'autre part, le principe de fonctionnement des LCD les plus répandus (tels que ceux employant des nématiques twistés ou super twistés ou encore des ferroélectriques) repose sur l'absorption d'une polarisation de la lumière incidente sous l'effet d'une commande électrique (un contraste est obtenu entre un état absorbant et un état non-absorbant du transducteur). Ce principe nécessite l'emploi de filtres polariseurs qui limitent l'efficacité lumineuse au mieux à 50 % pour un écran noir et blanc (seule la moitié de la lumière disponible est utilisée, I'autre moitié étant absorbée). Pour pallier ces inconvénients, de nouveaux dispositifs ont été proposés. Il s'agit en particulier de dispositifs utilisant des matériaux transducteurs fonctionnant sans polariseurs: la modulation de la lumière incidente repose alors sur des mécanismes de diffusion commandés électriquement (un contraste est obtenu entre un état diffusant et un état non diffusant). Dans cette catégorie se rangent plus particulièrement les dispositifs qui mettent en oeuvre des mélanges de polymères et de cristaux liquides [("Polymer Dispersed Liquid Crystal": J.L. Ferguson, SID International Symposium 1985, 16, 68), Brevets US 4 435 047 (1984); EP 0 357 234 A2 (1990)]. Grâce à l'absence de polariseurs ces LCD diffusifs permettent un gain en efficacité lumineuse, mais celui-ci reste insuffisant pour les utiliser dans des dispositifs passifs avec génération de couleurs par additivité: des PDLC (Polymer Dispersed Liquid Crystal) renfermant des colorants dichroïques noirs ont ainsi été utilisés de cette manière (T. Uchida et al., Japan Display 1986, P. 312) mais la génération de couleurs par additivité spatiale conduit à un "blanc" dont l'aspect est très "gris". Il en résulte des pertes en contraste. Pour réaliser un écran réflectif passif dont les couleurs seraient obtenues par additivité spatiale, il est envisageable d'associer une cellule de PDLC à un réflecteur de très fort gain (qui diffuse la lumière incidente avec une très forte directivité). Cependant un tel dispositif présenterait nécessairement un faible angle d'observation. Dans ce contexte et pour obtenir un écran réflectif passif couleur de bon contraste, I'invention propose un dispositif dans lequel il est possible de générer les trois couleurs primaires sans grande consommation électrique et d'offrir un bon contraste sous un large angle d'observation. Dans le dispositif selon l'invention chaque pixel de l'écran est en mesure de générer une couleur quelconque sans avoir recours à des filtres et d'offrir un réel contraste entre le noir et le blanc. Plus précisément, I'invention propose un écran couleur réflectif et passif à base de polymère renfermant du cristal liquide caractérisé en ce qu'il comprend une structure Sp contenant trois types de cristal liquide M1, M2, M3 de fréquences de résonances différentes fc1, fc2, fc3 et des moyens pour commander sélectivement en fréquence l'orientation d'un des cristaux liquides de manière à générer une couleur primaire: le rouge ou le vert ou le bleu. Il peut avantageusement s'agir d'un écran dans lequel la structure Sp comprend trois colorants dichroïques C1 de couleur cyan, C2 de couleur magenta et C3 de couleur jaune. Chacun des colorants pouvant être couplés à un cristal liquide précis au sein de billes dispersées dans le polymère. Ainsi en commandant électriquement l'orientation d'un cristal liquide et par là-même celle du colorant dichroïque associé, il devient possible d'émettre uniquement la couleur rouge, ou la couleur verte ou la couleur bleue, ces trois couleurs étant respectivement les couleurs complémentaires des trois colorants utilisés cyan, magenta et jaune. Un tel fonctionnement sera explicité ultérieurement. Dans ce type de dispositif, il est possible d'obtenir un état blanc, lorsque les trois cristaux liquides M1, M2, M3 sont orientés parallèlement au champ électrique qui leur est appliqué, par réflection sur un fond blanc. L'état noir quant à lui correspond à l'orientation des trois cristaux liquides perpendiculairement au plan de l'écran et donc à l'absorption de la lumière par les trois colorants C1, C2, C3. On obtient ainsi un contraste bien o10 meilleur que celui obtenu en passant d'un état diffusant à un état transparent (cas des dispositifs classiques utilisant des PDLC). Dans une autre variante de l'invention, l'écran peut comprendre trois structures réseaux superposées Sl, S2, S3 à base de polymère dans lequel sont dispersées respectivement des billes de cristal liquide M'1, des billes de cristal liquide M'2, des billes de cristal liquide M'3, la structure S1 étant capable de réfléchir le rouge, la structure S2 étant capable de réfléchir le vert, la structure S3 étant capable de réfléchir le bleu. Dans cette configuration, il est possible de faire disparaître les structures réseaux et ainsi les rendre transparentes à la lumière incidente en jouant sur l'orientation du cristal liquide. En effet, en choisissant judicieusement un indice de réfraction pour le cristal liquide égal à celui du polymère lorsque ledit cristal liquide est orienté sous champ électrique, on est en mesure d'annuler la structure réseau, préalablement inscrite au sein de l'écran. Dans l'écran couleur selon l'invention, on peut avantageusement utiliser une structure dans laquelle la structure Sp est insérée entre une électrode transparente et un ensemble de contre-électrodes définissant des zones de l'écran appelées pixels qui peuvent ainsi se colorer sélectivement en fonction de la nature du signal électrique appliqué (dépendance en fréquence). Une commande du type matriciel tel qu'elle est pratiquée dans les écrans STN ou TFT est cependant mal adaptée à la forme complexe des signaux à appliquer à chaque pixel de l'écran selon l'invention. C'est pourquoi il peut être avantageux d'utiliser une structure dans laquelle chaque pixel est relié à un circuit intégré de commande au travers par exemple d'un circuit imprimé. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif, et des figures annexées parmi lesquelles: - la figure 1 illustre un exemple de structure Sp élaborée à partir de PDLC; * la figure l a montre le comportement de cette structure en l'absence de champ électrique (état OFF) * la figure lb montre le comportement de cette structure en présence de champ électrique (état ON) - la figure 2 illustre le comportement en fréquence du coefficient As relatif à l'anisotropie diélectrique pour trois cristaux liquides M1, M2, M3 associés aux colorants C1, C2, C3 utilisés dans la structure Sp comprise dans l'écran selon l'invention; - la figure 3 schématise un exemple d'écran passif couleur selon I'invention utilisant un film de PDLC comprenant trois types de cristaux liquides et trois colorants associés; - la figure 4 schématise un deuxième exemple d'écran passif couleur selon l'invention utilisant un ensemble de trois structures réseaux réfléchissant les trois couleurs primaires (rouge, vert, bleu). L'écran couleur réflectif selon l'invention fonctionne grâce à un adressage en fréquence capable de sélectionner les couleurs primaires désirées. Ceci est rendu possible par la physique même des cristaux liquides utilisés. En effet, du fait de leurs dipôles permanents et induits, les molécules de cristaux liquides présentent une anisotropie de constante diélectrique As = s,, - s (les directions parallèle et perpendiculaire étant repérées par rapport au grand axe de la molécule cristal liquide). On distingue habituellement les molécules de type "p" d'anisotropie diélectrique positive (As > 0, habituellement de l'ordre de + 10 à + 20) des molécules de type "n" d'anisotropie diélectrique négative (As (respectivement perpendiculairement) à la direction du champ. A l'échelle macroscopique, cette anisotropie diélectrique est transférée des molécules aux assemblées de molécules et aux mélanges de cristaux liquides. La méthode dite "d'adressage en fréquence" consiste à tirer parti de la dépendance en fréquence de cet effet macroscopique: pour la plupart des cristaux liquides, la constante diélectrique E,, diminue avec les fréquences croissantes, tandis que sl_ reste invariant. On peut ainsi définir une fréquence caractéristique fc pour laquelle.,, = EL et le mélange diélectrique apparaît isotrope. Selon les mélanges fc varie entre 100 kHz et 1 MHz. Dans une variante de l'invention, I'écran couleur passif utilise trois types de cristaux liquides M1, M2 et M3 avec des fréquences caractéristiques différentes deux à deux fc1, fc2, fc3. Chaque cristal liquide est associé à un colorant dichroique, c'est-à-dire que l'orientation d'un type de cristal liquide conditionne l'orientation du colorant dichroïque qui lui est associé. Typiquement cette association peut résulter de la préparation même de la structure Sp pouvant conduire à l'élaboration d'un polymère dans lequel sont dispersées des billes de cristal liquide renfermant des colorants anisotropes, absorbant une composante primaire rouge, vert ou bleu, soit dans le cas présent une première série de billes renfermant du cristal liquide M1 et des molécules de colorant cyan, une seconde série de billes renfermant du cristal liquide M2 et des molécules de colorant magenta, une troisième série de billes renfermant du cristal liquide M3 et des molécules de colorant jaune. Il existe en effet différentes méthodes pour disperser des gouttelettes de cristal liquide dans une matrice polymère. L'une d'entre elles (E. Kaneko, "Liquid Crystal 1V Displays", KTK Scientific Publishers, Tokyo 1987, Chapters 2.1 5.1) consiste à introduire des cristaux liquides dans une solution photodurcissable (habituellement un mélange de monomères et d'oligomère). On effectue la photopolymérisation en exposant l'ensemble à un rayonnement ultraviolet. La puissance de ce dernier et la durée du traitement permettent de contrôler avec précision la taille des gouttelettes de cristal liquide. Ainsi lorsque la structure Sp est insérée entre deux jeux d'électrodes, sous l'action d'un champ électrique le mélange Mi, observé dans l'axe du champ électrique apparaît transparent à l'état ON et à l'état OFF (en l'absence de champ électrique) on observe la couleur Ci (du colorant Ci associé au cristal liquide Mi). La figure 1 illustre ce comportement qui est observé lorsque le cristal liquide présente un As positif. L'adressage en fréquence permet quant à lui d'obtenir un As positif ou bien un As négatif. A cet effet, la figure 2 illustre le comportement des (As)i en fréquence pour les cristaux liquides Mi. En se plaçant à une fréquence ff1 inférieure aux trois fréquences fc1, fc2, fc3, les trois (As)i étant positifs, on obtient sous champ électrique un état transparent, la structure Sp située sur un fond blanc peut ainsi fournir un état blanc. En se plaçant à une fréquence ff4 supérieure aux trois fréquences fc1, fc2, fc3, les trois (As)i sont négatifs, les trois types de colorants sont orientés parallèlement au plan de l'écran, et l'état noir est obtenu par absorption de la lumière par ces colorants. Entre ces deux états, pour que l'écran affiche la couleur complémentaire de C1, il faut combiner des signaux d'adressage de fréquences ffl, et ff4 avec des coefficients pondérés afin que As1 soit positif et As2 et As3 soient négatifs. Dans le cas particulier illustré à la figure 2, le coefficient du signal de fréquence ff4 doit être supérieur à celui du signal en fréquence ff2 pour effectivement obtenir la couleur désirée. Ainsi si le colorant cyan est orienté parallèlement au champ électrique seule la couleur complémentaire en l'occurrence le rouge sera perçue par un observateur placé devant l'écran, les deux autres colorants absorbant le reste du spectre lumineux. Pour que l'écran affiche la couleur complémentaire de C2 il faut combiner les signaux d'adressage de fréquence ff2 et ff4 avec des coefficients pondérés afin que As2 soit positif et As1 et As3 soient négatifs. Le colorant magenta est orienté parallèlement au champ électrique, la couleur complémentaire en l'occurrence le vert est perçu par un observateur placé devant l'écran. Enfin pour que l'écran affiche la couleur complémentaire de C3 (jaune), il faut utiliser un signal d'adressage de fréquence ff3 qui aura pour effet un As3 positif et des As1 et As2 négatifs, de manière à faire apparaître la couleur bleue. Pour obtenir toutes les couleurs intermédiaires (contenues dans le triangle des points couleurs rouge-vert-bleu) on peut combiner les trois types de signaux d'adressage de fréquence ffl, ff2, ff3 avec des coefficients adaptés. La combinaison des signaux électriques pour obtenir la couleur désirée peut être réalisée de différentes façons. Il est notamment possible de combiner deux fréquences fa et fb par convolution. Il est également possible d'utiliser un adressage temporel consistant pendant une fraction ta de la période trame à envoyer un signal de fréquence fa et pendant le reste de la période trame tb, à envoyer un signal de fréquence fb. Le rapport ta/tb permet alors de pondérer la combinaison des deux signaux en faveur de l'un ou l'autre. Les pondérations des différentes fréquences peuvent se faire de manière analogique par simple addition mais il est également possible de remplacer une fréquence sinusoïdale par le signal carré de même fréquence sans pour autant modifier le comportement du cristal liquide. C'est pourquoi il peut être envisagé d'envoyer successivement à une cadence très supérieure à la réponse du cristal liquide considéré, les quatre composantes carrées de fréquence F1, F2, F3, F4 durant des durées respectives, pondérées en fonction de la teinte désirée de manière à utiliser des drivers (dispositif d'amplification) à deux niveaux plus simples que les drivers analogiques. La figure 3 illustre un exemple de réalisation d'écran selon l'invention utilisant un film de polymère dans lequel sont dispersées les trois séries de billes précitées renfermant respectivement les colorants C1, C2 et C3. Il s'agit donc d'un écran équipé d'une électrode ET transparente pouvant notamment être un substrat de polyester recouvert d'une couche conductrice d'IlTO (oxyde d'indium et d'étain), côté observateur. On peut avantageusement interposer entre cette électrode et l'observateur, un réseau de microlentilles Rm afin de conférer à l'écran une meilleure directivité, permettant de relever artificiellement le niveau du blanc par rapport à l'environnement. Le film de PDLC est inséré entre l'électrode ET et un circuit imprimé double-faces comprenant une série de contre-électrodes Ei (pouvant être des électrodes métalliques) connectées par des via Vi à des circuits imprimés Cim. Dans une autre variante de l'invention, l'écran peut fonctionner non plus grâce à la présence de colorants cyan, magenta et jaune adressés sélectivement en fréquence mais grâce à la présence de couches réflectrices, réfléchissant sélectivement en fréquence le rouge, le vert ou le bleu. Les couches réflectrices peuvent résulter de l'inscription d'une structure réseau inscrite au sein d'une couche composite contenant du monomère photopolymérisable et du cristal liquide. En effet par interférence de deux faisceaux optiques il est possible d'induire la photopolymérisation du monomère entraînant la démixtion du mélange monomère-cristal liquide et générant ainsi du PDLC. Les franges d'interférences de deux faisceaux optiques situés de part et d'autre du composite créent périodiquement ledit PDLC alors qu'entre deux souscouches de PDLC formé subsiste le mélange monomère-cristal liquide correspondant à des interférences destructrices des deux faisceaux. Il est alors possible de réaliser à nouveau une photopolymérisation de puissance et durée différentes de celles de la photopolymérisation précédente pour obtenir une autre concentration de billes de cristal liquide dans les zones noires de l'exposition précédente et ainsi aboutir à la structure réseau désirée. En agissant sur le pas du réseau formé il est ainsi possible de créer un réseau de diffraction réfléchissant sélectivement une des couleurs primaires (rouge, vert, bleu). Un tel réseau peut être rendu transparent à la lumière en appliquant un champ électrique capable d'orienter les molécules cristal liquide dispersées dans le PDLC, si l'indice de ces molécules a été judicieusement adapté à celui du polymère liant. Pour constituer l'écran selon l'invention, on peut avantageusement superposer trois réseaux R1, R2 et R3, R1 réfléchissant le rouge, R2 réfléchissant le vert et R3 réfléchissant le bleu, lesdits réseaux étant réalisés dans des mélanges polymères/cristal liquide, commandables électriquement par des signaux de fréquence propre f'1, f2 et f3 et étant insérés entre une électrode transparente ET, et des contre-électrodes Ei, connectés à des circuits imprimés Cim. Cet exemple de réalisation est illustré à la figure 4. REVENDICATIONS 1. Ecran couleur réflectif à base de polymère renfermant du cristal liquide caractérisé en ce qu'il comprend une structure Sp contenant trois types de cristal liquide M1, M2, M3 de fréquences de résonances différentes fc1, fc2, fc3 et des moyens pour commander sélectivement en fréquence l'orientation d'un des cristaux liquides de manière à générer une couleur primaire: le rouge ou le vert ou le bleu. 2. Ecran couleur réflectif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure Sp comprend trois colorants dichroïques: C1 de couleur cyan, C2 de couleur magenta et C3 de couleur jaune. 3. Ecran couleur réflectif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la structure Sp comprend un film de polymère dans lequel sont dispersées trois séries de billes de cristal liquide, une première série comprenant un mélange de cristal liquide M1 et de colorant C1, une deuxième série comprenant un mélange de cristal liquide M2 et de colorant C2, une troisième série comprenant un mélange de cristal liquide M3 et de colorant C3. 4. Ecran couleur réfiectif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure Sp comprend trois structures réseaux superposées S1, S2, S3 à base de polymère dans lequel sont dispersées respectivement des billes de cristal liquide M'1, des billes de cristal M'2 et des billes de cristal liquide M'3, la structure S1 étant capable de réfléchir le rouge, la structure S2 étant capable de réfléchir le vert, la structure S3 étant capable de réfléchir le bleu. 5. Ecran couleur réflectif selon l'une des revendications I à 4, caractérisé en ce que la structure Sp est insérée entre une électrode transparente et un ensemble de contre-électrodes définissant un pixel de l'écran, chaque pixel étant connecté à un circuit de commande. 6. Ecran couleur réflectif selon la revendication 5, caractérisé en ce que devant l'électrode transparente, on juxtapose un réseau de microlentilles.