Brevet FR2742240A1 — publié le 19970613

PROCEDE POUR LA FABRICATION DE CELLULE A CRISTAUX LIQUIDES ALIGNES SELON UNE COURBE UTILISANT LA LUMIERE La présente invention est relative à un procédé pour la fabrication d'une cellule à cristaux liquides et plus particulièrement à un procédé pour la fabrication d'une cellule à cristaux liquides alignés selon une courbe utilisant de la lumière, qui est plus facile à fabriquer que dans un procédé classique utilisant le frottement, et à un procédé pour la fabrication d'une cellule à cristaux liquides alignés selon une courbe avec un angle de vision amélioré. Un dispositif d'affichage à cristaux liquides classique est généralement un dispositif d'affichage à cristaux liquides nématiques en hélice (désigné par la suite TN- LCD), qui présente une caractéristique de changement de transmittance pour chaque niveau de gris en fonction de l'angle de vision. La figure l(a) est un graphique qui montre la relation entre la transmittance et la tension appliquée à une telle cellule à cristaux liquides nématiques en hélice; la figure l(b) est un graphique qui montre la relation entre la transmittance et l'angle de vision selon une direction verticale. Dans les figures l(a) à l(c), la transmittance est distribuée de façon symétrique selon la direction horizontale, mais la transmittance est distribuée de façon asymétrique selon la direction verticale. Dans la direction verticale, il y a donc une inversion d'image si bien que l'angle de vision devient très limité. Pour résoudre le problème, on utilise en général des cristaux liquides nématiques en hélice. La figure 2 est une vue montrant une structure d'une cellule à deux domaines à cristaux liquides nématique en hélice (TDTN- LC, ou "two domain twisted nematic liquid crystal"). Sur la figure 2, chaque pixel comprend deux domaines de configuration de direction, dans lesquels les deux directions de préinclinaison sont opposées. Lorsqu'on applique une tension correspondant à un niveau de gris à une telle cellule, les axes directeurs des cristaux liquides sont inclinés dans des directions opposées dans les deux domaines. La figure 3 est une vue montrant la structure d'une cellule divisée en domaines à cristaux liquides nématiques en hélice (DDTN-LC, ou "domain divided twisted nematic liquid crystal"). Sur la figure 3, les couches d'alignement 3, 4 comprennent deux matériaux présentant des angles de préinclinaison différents. La première couche d'alignement 3 comprend un matériau organique, mais la seconde couche d'alignement 4 comprend un matériau inorganique, de telle sorte que les directions d'angle d'alignement moyen sur chaque couche d'alignement sont opposées. La fabrication de cellules à deux domaines à cristaux liquides nématique en hélice (TDTN-LC) ou de cellules divisées en domaines à cristaux liquides nématiques en hélice (DDTN-LC) s'effectue grâce aux étapes suivantes: frottement du substrat revêtu de la couche d'alignement, entre autre, un polyimide; masquage d'une surface à l'aide d'un agent photosensible; frottement dans une direction opposée de la surface nonmasquée; enlèvement de l'agent photosensible. Du fait que le procédé devient très compliqué, le coût est plus élevé. De façon générale, la cause de l'étroitesse de l'angle de vision est que le cristal liquide, en raison des caractéristiques propres aux cristaux liquides, est un matériau anisotrope. En conséquence, il a récemment été proposé une cellule à cristaux liquides alignés selon une courbe (en anglais "bend-aligned liquid crystal cell"). La figure 4 est une vue montrant une structure de cette cellule à cristaux liquides nématiques en hélice alignés selon une courbe, dans laquelle une cellule 5 à cristaux liquides alignés selon une courbe et un film uniaxial 6 avec une compensation optique par élimination du phénomène de biréfringence de cette cellule 5 à cristaux liquides sont insérés entre deux polariseurs 7 parallèles présentant des directions de polarisation s" RI D Si -()-dcel re1 I perpendiculaires. Une molécule de cette cellule 5 à cristaux liquides alignés selon une courbe, comme cela est montré dans la figure 4, forme un angle aigu avec la couche d'alignement au voisinage de la couche d'alignement, mais l'angle augmente jusqu'à 90 au voisinage de la ligne médiane entre les deux couches d'alignement, et présente à nouveau une structure symétrique au voisinage du substrat si bien que l'angle de vision est amélioré. L'alignement selon une courbe des cristaux liquides, ayant un angle de 90 entre les molécules de cristal liquide et la couche d'alignement, est formé par frottement de la couche d'alignement, et par injection du cristal liquide en conservant un angle de préinclinaison prédéterminé. De plus, si un champ électrique est appliqué à cette cellule à cristaux liquides alignés selon une courbe, la transmittance varie en raison de la variation de l'indice de réfraction provoqué par la variation de la direction des cristaux liquides du fait de l'application d'un champ électrique. La figure 5(a) est une vue montrant la relation entre la tension appliquée à une cellule 5 à cristaux liquides et la transmittance; T0 est le point o la transmittance est nulle, T50 est le point o la transmisttance est 50, et T100 est le point o la transmittance est 100. La figure 5(b) est une vue montrant la relation entre la transmittance et l'angle de vision selon la direction horizontale. La transmittance en fonction de l'angle de vision, qui est respectivement à l'origine de 0, 50 et sur les courbes TO, T50 et T100, est plus symétrique que celle du dispositif d'affichage à cristaux liquides nématiques en hélice (TNLCD) de la figure l(b). De plus, avec les mêmes notations, la transmittance selon la direction verticale représentée sur la figure 5(c), est toujours symétrique pour les courbes Toi T50 et T1oo, tandis que l'image de la cellule à cristaux liquides nématiques en hélice est inversée pour l'angle de vision horizontal de T50. L'angle de vision d'un dispositif d'affichage à cristaux liquides utilisant une telle cellule 5 à cristaux liquides alignés selon une courbe est donc hautement amélioré à la fois selon la direction horizontale et selon la direction verticale par rapport à une cellule à cristaux liquides nématiques en hélice. Cependant, il existe encore un problème de génération de poussière et d'une charge électrostatique sur la couche d'alignement, provoqué par le frottement, du fait que la couche d'alignement dans la cellule 5 à cristaux liquides alignés selon une courbe doit aussi être frottée avant l'injection du cristal liquide pour former une direction de préinclinaison dans la couche d'alignement. En particulier, la charge électrostatique constitue le problème le plus sérieux en ce qui concerne l'endommagement de la couche d'alignement. Un objet de la présente invention est de fournir un procédé pour la fabrication d'une cellule à cristaux liquides alignés selon une courbe, dans laquelle l'angle de vision est amélioré et qui est facile à fabriquer par irradiation par une radiation ultraviolette. Pour atteindre cet objet, le procédé de fabrication d'une cellule à cristaux liquides alignés selon une courbe de la présente invention comprend les étapes d'établissement de la direction de préinclinaison par irradiation d'une lumière polarisée linéairement à travers un polariseur sur la couche d'alignement formée sur un substrat en verre, et d'injection des cristaux liquides dans l'espace compris entre ces substrats. L'invention propose donc un procédé pour la fabrication d'une cellule à cristaux liquides alignés selon une courbe utilisant de la lumière, comprenant les étapes de: - irradiation d'une première couche d'alignement par une première lumière ultraviolette polarisée pour former un premier angle de préinclinaison dans ladite première couche d'alignement; irradiation d'une seconde couche d'alignement par une seconde lumière ultraviolette polarisée pour former R ILIS)O S; [)(( -D4O( CeC -4 I un second angle de préinclinaison dans ladite seconde couche d'alignement; et - injection de cristaux liquides entre lesdites première et seconde couches d'alignement. De préférence, la direction d'alignement de la première couche d'alignement est la même que celle de la seconde couche d'alignement. Les première et seconde couches d'alignement peuvent comprendre un matériau à base de polysiloxane, ou un poly(fluorocinnamate de vinyle). L'étape d'irradiation de ladite première couche d'alignement comprend avantageusement l'étape d'irradiation de ladite première couche d'alignement à un angle sensiblement perpendiculaire à ladite première couche d'alignement, et l'étape d'irradiation de ladite seconde couche d'alignement comprend aussi avantageusement l'étape d'irradiation de ladite seconde couche d'alignement à un angle sensiblement perpendiculaire à ladite seconde couche d'alignement. On peut en outre prévoir l'étape de réglage desdits premier et second angles d'alignement, en réglant les énergies desdites première et seconde lumières ultraviolettes. L'étape d'injection peut comprendre l'injection desdites molécules de cristaux liquides entre lesdites première et seconde couches d'alignement dans une direction parallèle aux directions d'alignement desdites première et seconde couches d'alignement. La première lumière ultraviolette est par exemple polarisée linéairement. Les étapes d'irradiation des première et seconde couches d'alignement peuvent comprendre les étapes de réglage des énergies desdites première et seconde lumières ultraviolettes pour former des premier et second angles de préinclinaison supérieurs à 45 . L'étape d'irradiation de la première couche d'alignement forme de préférence une pluralité de directions de préinclinaison, le procédé comprenant alors en outre une étape consistant à écouler lesdits cristaux liquides entre lesdites première et seconde couches d'alignement dans une direction pour choisir l'une desdites directions de préinclinaison. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la lecture de la description qui suit de modes de réalisation, donnée en référence aux dessins de la description, dans lesquels: - la figure l(a) est un graphique montrant la relation entre la tension et la transmittance d'une cellule à cristaux liquides nématiques en hélice classique; - la figure l(b) est un graphique montrant la transmittance en fonction de la direction horizontale de vision dans une cellule à cristaux liquides nématiques en hélice classique; - la figure l(c) est un graphique montrant la transmittance en fonction de la direction verticale de vision dans une cellule à cristaux liquides nématiques en hélice classique; - la figure 2 est une vue illustrant une structure de cellule à deux domaines à cristaux liquides nématiques en hélice; - la figure 3 est une vue illustrant une structure de cellule divisée en domaines à cristaux liquides nématiques en hélice; - la figure 4 est une vue illustrant une structure d'une cellule à cristaux liquides alignés selon une courbe classique; - la figure 5(a) est un graphique montrant la relation entre la tension et la transmittance d'une cellule à cristaux liquides alignés selon une courbe; - la figure 5(b) est un graphique montrant la transmittance en fonction de la direction horizontale de lecture dans une cellule à cristaux liquides alignés selon une courbe; - la figure 5(c) est un graphique montrant la transmittance en fonction de la direction verticale de lecture dans une cellule à cristaux liquides alignés selon une courbe; - la figure 6 est une vue montrant le dispositif d'irradiation de radiation ultraviolette; - la figure 7 est une vue montrant l'angle de préinclinaison d'une couche d'alignement formé par irradiation par une radiation ultraviolette; - la figure 8 est une vue montrant la structure à alignement selon une courbe d'une cellule à cristaux liquides formé selon la présente invention. Une couche de photo-alignement classique utilisant une radiation ultraviolette comprend un polymère de polycinnamate de vinyle (PVCN) et forme une couche d'alignement photopolymérisée par réticulation entre les polymères lorsque une radiation ultraviolette polarisée linéairement est irradiée. La direction d'alignement du photopolymère est perpendiculaire à la direction de polarisation de la radiation ultraviolette polarisée linéairement. La direction de préinclinaison de la couche d'alignement est déterminée en fonction de la direction du photopolymère. De plus, la direction de préinclinaison de cette couche de photo-alignement peut être modifiée en fonction de l'énergie d'irradiation ou de la direction d'incidence de la radiation ultraviolette irradiée. C'est-à-dire que la direction de préinclinaison et l'angle de la couche d'alignement dépendent de la direction de polarisation et de l'énergie irradiée de la radiation ultraviolette irradiant la couche d'alignement. La figure 6 illustre un dispositif pour former une couche d'alignement avec de la lumière selon la présente invention; un substrat de verre 1, revêtu d'une couche d'alignement 11 est éclairé par un faisceau lumineux de lumière ultraviolette. La lumière ou la radiation ultraviolette est générée par une lampe 8, et traverse un polariseur 10. La lampe est la plupart du temps une lampe à mercure, dont la radiation est polarisée linéairement en traversant le polariseur 10 de telle sorte que la radiation polarisée linéairement est irradiée perpendiculairement sur la surface de la couche d'alignement 11 formée sur le substrat de verre 1. Le procédé de préparation de ce dispositif d'affichage à cristaux liquides (LCD) est décrit ci- après. D'abord, la couche d'alignement est formée sur le substrat de verre, puis la lumière UV est irradiée sur cette couche d'alignement avec le dispositif représenté dans la figure 6. La couche d'alignement 11 formée sur le substrat 1 est constituée d'un matériau à base de polysiloxane ou de PVCN-F [poly(fluorocinnamate de vinyle)]. L'angle de préinclinaison formé dans la couche d'alignement est contrôlé par l'intensité de l'énergie ultraviolette irradiée perpendiculairement sur la couche d'alignement, de telle sorte qu'il est possible d'obtenir un angle de préinclinaison supérieur à 45 . De façon générale, lorsque la lumière ou radiation ultraviolette est irradiée sur la couche d'alignement 11 formée sur le substrat 1, deux directions d'angle de préinclinaison e sont formées, avec le même angle, comme représenté sur la figure 7. Sur la figure 8, on choisit l'une des directions d'angle de préinclinaison de la figure 7, par l'effet d'écoulement des cristaux liquides. A titre d'exemple, les PVCN-F et les polysiloxane cinnamate ont les formules structurales suivantes: PVCN-F: ( CH2- CH2). 0 - C - CH CH - F Il 0 n= 300 à 6 000 polysiloxane cinnamate I: 4, z - S - (c CHC2}H - 0 Y I8 D( 4 lxI x R I1>bI3 DO = 1 à 11; L = 0 ou 1; K = 0 ou 1; X, Xl, X2, Y = H, F. Cl, CN, CF3 CnH2n+l ou OCnH2n+1l avec n = 1 à 10, ou des mélanges de ceux-ci. polysiloxane cinnamate II: I] ? - Si - (CH2)ú- 0 - C - CH = CH -Y 0 X L xI L L X2 K Z étant choisi parmi le groupe constitué de OH, CH3 et des mélanges de ceux-ci; m = 10 à 100; ú = 1 i 1l; L = 0 ou 1; K = 0 ou 1; X, Xl, X2, Y = H, F, Cl, CN, CF3 CnH2n+1 ou OCnH2n+1, avec n = 1 à 10, ou des mélanges de ceux-ci. En conséquence, les cristaux liquides sont injectés par le côté gauche du substrat de verre 11 qui est parallèle à la direction d'alignement de la couche d'alignement. La direction de préinclinaison est établie entre les couches d'alignement 11 comme cela est montré sur la figure 8, par l'écoulement des cristaux liquides, et est dirigée vers la direction d'écoulement des cristaux liquides. De plus, lorsque l'angle de préinclinaison de la couche d'alignement 11 est supérieur à 45 , il est possible de former un alignement incurvé ou selon une courbe sans appliquer de champ électrique. Ainsi, si les cristaux liquides sont injectés après établissement d'un angle de préinclinaison de la couche d'alignement 11 supérieur à 450 par contrôle de l'énergie ultraviolette irradiée, les molécules de cristaux liquides 12 sont distribuées symétriquement entre les substrats supérieur et inférieur. Ceci est provoqué par l'écoulement des cristaux liquides de telle sorte que les phénomènes d'asymétrie dans les directions verticale ainsi qu'horizontale disparaissent. L'angle de vision est donc plus large que l'angle de vision de la cellule à cristaux liquides nématiques en hélice classique représentée sur la figure 5. Selon la présente invention, on fabrique ainsi une cellule à cristaux liquides à alignement incurvé ou selon une courbe par irradiation d'une radiation ultraviolette sur la couche d'alignement, de telle sorte que l'angle de vision devient plus large, que l'on peut éviter l'endommagement de la couche d'alignement dûs au traitement de frottement, et que l'on réduit le nombre de traitements. Il est bien compris que la forme de la présente invention décrite ici constitue seulement un exemple préféré de celle-ci et que diverses modifications peuvent être envisagées dans le cadre de la présente invention. RI D)'I ^Si()±4 dec, lbh,I''- I1' 1: REVENDICATIONS 1.- Procédé pour la fabrication d'une cellule à cristaux liquides alignés selon une courbe utilisant de la lumière, comprenant les étapes de: irradiation d'une première couche d'alignement (11) par une première lumière ultraviolette polarisée pour former un premier angle de préinclinaison dans ladite première couche d'alignement; - irradiation d'une seconde couche d'alignement (11) par une seconde lumière ultraviolette polarisée pour former un second angle de préinclinaison dans ladite seconde couche d'alignement; et - injection de cristaux liquides entre lesdites première et seconde couches d'alignement. 2.- Procédé suivant la revendication 1, dans lequel la direction d'alignement de la première couche d'alignement est la même que celle de la seconde couche d'alignement. 3.- Procédé suivant la revendication 1 ou 2, dans lequel lesdites première et seconde couches d'alignement comprennent un matériau à base de polysiloxane. 4.- Procédé suivant la revendication 1 ou 2, dans lequel lesdites première et seconde couches d'alignement comprennent un poly(fluorocinnamate de vinyle) 5.- Procédé suivant l'une des revendications 1 à 4, dans lequel l'étape d'irradiation de ladite première couche d'alignement comprend l'étape d'irradiation de ladite première couche d'alignement à un angle sensiblement perpendiculaire à ladite première couche d'alignement, et dans lequel l'étape d'irradiation de ladite seconde couche d'alignement comprend l'étape d'irradiation de ladite seconde couche d'alignement à un angle sensiblement perpendiculaire à ladite seconde couche d'alignement. 6.- Procédé suivant l'une des revendications 1 à 5, comprenant en outre l'étape de réglage desdits premier et second angles d'alignement, en réglant les énergies desdites première et seconde lumières ultraviolettes. 7.- Procédé suivant l'une des revendications 1 à 6, dans lequel l'étape d'injection comprend l'injection desdites molécules de cristaux liquides entre lesdites première et seconde couches d'alignement dans une direction parallèle aux directions d'alignement desdites première et seconde couches d'alignement. 8.- Procédé suivant l'une des revendications 1 à 7, dans lequel ladite première lumière ultraviolette est polarisée linéairement. 9.- Procédé suivant l'une des revendications 1 à 8, dans lequel les étapes d'irradiation des première et seconde couches d'alignement comprennent les étapes de réglage des énergies desdites première et seconde lumières ultraviolettes pour former des premier et second angles de préinclinaison supérieurs à 450. 10.- Procédé suivant l'une des revendications 1 à 9, dans lequel l'étape d'irradiation de la première couche d'alignement forme une pluralité de directions de préinclinaison, le procédé comprenant en outre une étape consistant à écouler lesdits cristaux liquides entre lesdites première et seconde couches d'alignement dans une direction pour choisir l'une desdites directions de préinclinaison. 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