Brevet FR2840694A1 — publié le 20031212

de type en surface. La presente invention concerne le domaine des dispositifs d'affichage a cristaux liquides. Plus precisement, la presente invention a pour objectif principal de proposer de nouveaux moyens d'ancrage des molecules de cristaux liquides dans des cellules d'affichage. Les dispositifs d'affichage a cristaux liquides comprennent generalement deux plaques ou substrats de confinement munis d'electrodes sur leur surface interne et un materiau cristal liquide place entre les deux plaques. Par ailleurs, des moyens vent prevus sur les plaques de confinement pour y assurer et contrOler l'ancrage des molecules de cristaux liquides. Cet ancrage est tres important car il determine ['orientation des molecules dans la cellule et permet son bon 1 5 fonctionnement. L'homme de l'art salt en particulier orienter les cristaux liquides nemati que s so it perp endiculai rement a la surface du substrat (cette orientation est cite homeotrope) soit parallelement a celle-ci (cette orientation est cite planaire), a ['aide de traitements de surface tels que des depats de polymere. Plus precisement encore, les afficheurs a cristaux liquides > necessitent un ancrage fort, planaire ou plutOt legerement oblique. Cet ancrage planaire fort est obtenu habituellement suivant l'art connu par depot de polymeres orientes ou par evaporation de SiO sous un angle donne. Une autre famille d'affcheur cristal liquide nematique est apparue depuis peu, la famille des afficheurs nematiques par cassure de surface (par exemple, demande WO 97/17632). Ils permettent la bistabilite done un affichage qui reste indefiniment sans consommation d'energie; senle la commutation entre les deux etats necessite un apport d'energie. Un autre avantage de la bistabilite est la possibilite de la haute definition car le nombre de lignes ntest fonction que du rapport entre le temps ou ['information a besoin d'etre changee et le temps d'inscription d'une ligne. Des nombres de lignes superieurs a 10 000 peuvent aussi etre realises. La difficulte majeure de realisation de ce type d'afficheur est liee a la necessite de casser l'ancrage sur la surface: il faut disposer d'ancrages reproductibles de faible energie. La presente invention trouve sa principale utilite dans la realisation de ce type d'afficheurs. Un exemple typique de ces afficheurs nematiques bistables utilisant des ancrages faibles est realise de la fa,con suivante. Le cristal liquide est place entre deux lames de verre revetues d' une couche conductrice d' oxyde d'etain et d'indium. L'une des electrodes porte un revetement donnant un ancrage oblique ou planaire fort, l'autre electrode porte un revetement donnant un ancrage monostable planaire d'energie d'ancrage zenithal faible et azimutal moyen ou fort. Deux polariseurs vent en outre disposes de part et d'autre de la cellule avec une orientation adaptee. Le principe de cette technologie > reside dans la presence de deux etats stables sans champ electrique applique, un etat uniforme et un etat tordu de . Ces deux etats correspondent a des niveaux d'energie minima. Ils vent equilibres en utilisant un cristal liquide nematique d'anisotropie dielectrique positive, par exemple le pentyl cyano biphenyl (connu sous le nom de 5CB) dope avec un additif chiral. Ce type de dispositif est generalement appele Binem. Cette technologie d'affichage utilise la possibilite de casser l'ancrage planaire faible, tandis que l'ancrage planaire fort reste inchange, pour passer d'un etat a l'autre par application d'un champ electrique de forme et dtintensite specifique. Ce champ perpendiculaire a la cellule, induit une texture homeotrope proche de l'etat noir>> de la technologie TN mais ou les molecules, pres de la surface de faible energie d'ancrage, vent perpendiculaires a celle-ci. Cette texture hors equilibre est l'etat de transition permettant de commuter vers l'un des deux etats stables. A l'arret du champ, elle se convertira vers l'un ou l'autre des etats stables selon que les effete de couplage elastique ou hydrodynamique ont ete favorises. Pour faciliter la commutation de la cellule entre l'etat tordu et ltetat uniforme, l'ancrage planaire faible peut presenter une faible inclinaison ( L'ancrage fort associe peut etre indifferemment planaire ou oblique, comme indique dans les brevets de la demanderesse FR 95 13201, FR 96 04447 et US 6 327 017. Dans la cellule, si l'ancrage fort est incline dans une direction et l'ancrage faible incline dans la meme direction, la cassure d'ancrage transitoire sous champ, cassure cite du premier ordre, permet la commutation de ltetat tordu vers l'etat uniforme. Cette commutation est beaucoup plus rapide que dans le cas planaire ou elle est obtenue par le couplage elastique. La commutation en sens inverse est realisee comme precedemment par le couplage hydrodynamique, qui reste efficace et facile a controler si ['angle dtinclinaison est suffisamment faible. Differents moyens ont deja ete proposes pour assurer l'ancrage des materiaux cristaux liquides. Ces moyens d'ancrage vent soumis a de nombreuses contraintes. L'homme de l'art salt notamment que les polymeres d'ancrage doivent: 1) etre solubles dans un milieu pour etre applique convenablement sur la plaque ou substrat recepteur afin de mouiller et recouvrir convenablement celui-ci, 2) etre apses a rendre la plaque ou le substrat anisotrope, 3) etre insolubles dans le materiau cristal liquide, 4) etre apses a definir un ancrage donnant ['orientation et l'energie demandees. Si l'on dispose anjourd'hui de moyens apses a definir des ancrages forts satisfaisants, l' on ne dispose que de tres peu de moyens apses a assurer un ancrage faible. La presente invention a ainsi pour but de proposer de nouveaux moyens apses a definir un ancrage uniforme et stable dans le temps, de faible energie et avec un pretilt faible, 0 Ce but est atteint dans le cadre de la presente invention grace a un procede de preparation de cellules a cristaux liquides, comprenant les etapes consistent a: À deposer, sur un substrat, un polymere ou un copolymere ou un terpolymere choisi parmi les polymeres ou les copolymeres derives des poly(chlorure de vinyle- co- al kyl ether de vinyle) ou de s pol y(chl orure de vinyle -co - aryl ether d e vinyle). stabiliser le depot, et definir une orientation azimutale du depat induisant un ancrage azimutal controle du cristal liquide. Dans un mode avantageux de realisation de ['invention, le depot est stabilise thermiquement et/ou sous insolation ultra-violet/e. Dans un autre mode avantageux de realisation de ['invention, l'inclinaison de ['orientation du cristal liquide nematique est faible, 0 La presente invention permet de realiser des couches d'ancrage (d'alignement) de faible energie dans des cellules de visualisation a cristaux liquides, notamment de cellules a cristaux liquides nematiques bistables. La presente invention concerne egalement les dispositifs ainsi obtenus. On va maintenant expliciter les notions d'ancrage > et d'ancrage >. Les termes > et > peuvent etre definis suivant les developpements ci-dessous. La source de l'ancrage moleculaire du cristal liquide est l 'anisotropie de ses interactions avec la couche d' orientation. On peut caracteriser l'ancrage moleculaire par son efficacite et par la direction imposee aux molecules de cristal liquide en ['absence de toute autre influence externe. Cette direction, nommee axe facile, est decrite par le vecteur unite nO ou par les angles zenithal GO et azimutal O dans le systeme cartesien de coordonnees ayant l'axe z perpendiculaire a la surface du substrat. Si l' axe facile des molecules de cristaux liquides est perpendiculaire au substrat, l'alignement est homeotrope. S'il est parallele au substrat, l'alignement est planaire. Entre ces deux cas, existe l'alignement dit oblique, decrit par l' angle zenithal d'ancrage defini par rapport a la normale a la surface du substrat, ou par son complement nomme angle d'inclinaison (ou "pretilt"). On introduit une densite superficielle d'energie pour caracteriser la force dtinteraction du cristal liquide avec le substrat. Wile depend de ['orientation nS des molecules de cristal liquide sur la surface (decrite aussi par les angles zenithal Os et azimutal tPs) r(0S'S) =r(0O,O)+g(Os 0o's -) ou g represente l'energie d'ancrage. Wile caracterise la partie anisotrope de ['interaction et devient nulle (par convention) quand ['orientation moleculaire du cristal liquide coincide avec la direction de l'axe facile. Dans la plupart des experiences, la variation de l'un des deux angles (zenithal ou azimutal) est preponderante. C'est pourquoi les deux composantes de l'energie d'ancrage vent souvent etudiees separement. La forme la plus connue de l'energie d'ancrage est celle proposee par Rapini et Papoular (J. Phys. Coll. (1969) , C-4-54): W 2 W 2 ou dans le cas general (H. Dreyfus-Lambez et al., Mol. Cryst. and L. Cryst. (2000), 352, 19-26): g ( s's)= 2Z sin (0 )+ 2a sin (4's-o) Les coeffcients positifs wz et wa vent usuellement nommes respectivement energie d'ancrage zenithale et azimutale. Ils ont la dimension d'une densite superficielle d'energie. L'energie d'ancrage peut egalement etre donnee par la longueur d'extrapolation. Il s'agit de la distance entre la surface etudiee et la position d'une surface virtuelle. En imposant un ancrage infiniment fort (il est impossible de faire pivoter les molecules situees sur cette surface virtuelle), elle induit la texture reelle du cristal liquide. La longueur d'extrapolation zenithale Lz est proportionnelle a ['inverse de l'energie d'ancrage wz selon la relation Lz= ' ou k est le wz coefficient d'elasticite de deformation en eventail du cristal liquide considere. De meme on deEnit la longueur d'extrapolation azimutale La= 22, k22 etant le wa coefficient d'elasticite de deformation de torsion du cristal liquide considere. D'habitude, on dit que l'ancrage est fort, quand, pendant le fonctionnement de la cellule, les molecules sur la surface restent pratiquement paralleles a l' axe facile. Par contre, l'ancrage est faible si une deviation appreciable apparat pendant le fonctionnement. L'energie d'ancrage zenithale peut etre evaluee par une methode simple decrite ci-dessous: la mesure du champ critique de cassure de l'ancrage. On salt que dans une cellule cristal liquide, l'on peut > un ancrage strictement planaire (=0) en utilisant un champ electrique E > Ec normal aux plaques, applique sur un cristal liquide nematique d'anisotropie dielectrique positive sa=/rel> 0. Pour E croissant et stapprochant de Ec, ['angle des molecules en surface Os passe rapidement de 90 a 0; ceci correspond a une variation detectable de la birefringence de la cellule. Au dessus de Ec, I'angle (3s reste nul, la surface est cite cassee'. Le champ critique Ec pour casser l'ancrage zenithal est defini par la condition (I. Dozov et Phys. Rev. 58 (1998), 6, 7442-7446): E - 1 1: z úoúa K est la constante elastique de courbure (10 pN) et Lz est la longueur d'extrapolation definissant l'energie d'ancrage zenithale qui s'ecrit: 1 S Wz = (1/2) (KILz)cos2Os ( Os angle des molecules en surface). Pour des ancrages zenithaux, on considere que l'ancrage est fort, si Lz 20 V/,um) et faible si Lz> 50 nm (Ec si La Dans le cadre de la presente invention, I'ancrage faible energie zenithal est obtenu par depot de copolymeres et terpolymeres specialement choisis a base de poly(chlorure de vinyle-co-alkyl ether de vinyle) ou de poly(chlorure de vinyle-co aryl ether de vinyle) subissant une suite de traitements specifiques (ces copolymeres et terpolymeres ainsi que leurs traitements specifiques vent precises cidessous). Le depat de la couche d'ancrage a base de copolymeres et terpolymeres a base de poly(chlorure de vinyle-co-alkyl ether de vinyle) ou de poly(chlorure de vinyle-co-aryl ether de vinyle) se fait a partir d'une solution de polymere par centrifugation ou par d'autres methodes telles que la flexographie (Flexprinting). Apres evaporation du solvent on obtient une couche de polymere d'epaisseur typiquement (mats non limitativement) comprise entre un nanometre et 100 nm. Ensuite, un frottement par un rouleau textile de l'art connu, est de preference applique sur la couche de polymere pour lui imposer une orientation azimutale qui induira l'ancrage azimutal du cristal liquide, de plus un faible pretilt est induit par le brossage. Pour realiser une cellule bistable par cassure d'ancrage, la surface d'ancrage (dit faible) doit presenter un ancrage planaire ou oblique avec faible pretilt d'energie d'ancrage zenithal relativement faible (par exemple Lz 2 40 nm) et un ancrage azimutal relativement fort (La etant comprises entre 0,1 et 0,5 . Les polymeres et les copolymeres objet de ['invention, vent les copolymeres ou terpolymeres derives du chlorure de vinyle et des ethers de vinyle de formules I: tCH2:tCH2 TH Cl OR dans lequel R represente un radical alkyl ou aryl substitue ou non, n et m peuvent varier de 0 a 1, avec de preference des valeurs comprises pour n: 0,5 m: 0,2 Selon une application de ['invention les copolymeres vent constitues du chlorure de vinyle et de ['ether isobutylique de vinyle de formule II: tCH2 fH]CH2-CH Cl OCH2CH(CH3)2 II Des terpolymeres derives du PVC, et de deux autres co-monomeres permettent egalement d'obtenir des couches d'ancrage faible energie et constituent une autre variante de ['invention. A titre d'exemple les co-monomeres peuvent etre d'autres derives de l'alcool vinylique ether ou ester. Dans un variante de ['invention, le polymere est un terpolymere a base de poly(chlorure de vinyle) - poly(-isobutylether de vinyl e) et un autre comonomere derive de l'alcool vinylique. Les polymeres et copolymeres vent deposes sur le substrat par S centrifugation d'une solution. D'autres moyens de depots tels que la flexographie peuvent etre egalement utilises. Les solvents appropries vent par exemple des cetones telles que la methylethylcetone ou d'autres solvents tels que la dimethylformamide, la N-methyl pyrrolidone ou le butoxy ethanol ou des melanges de ces solvents. Apres recuit a une temperature inferieure a la temperature de fusion Tf, de preference entre 140 C et 150 C, pendant une duree comprise entre quelques minutes et quelques heures, la couche de polymere est insolee par rayonnement W de longueur d'onde comprise entre 180 et 380 nm, et eventuellement recuite a une temperature de 130 a 170 . La couche de polymere est ensuite frottee avec un rouleau pour induire ['orientation azimutale. Les couches vent en general realisees sur un substrat d'ITO (oxyde mixte d'indium et d'etain) classique, mais d'autres electrodes peuvent etre envisagees. Dans une variante de ['invention, ltorientation azimutale de la couche d'ancrage peut etre obtenue par d'autres procedes qu'un frottement avec un rouleau, par exemple en utilisant un substrat prealablement traite: À par une evaporation oblique de SiO, À par un polymere brosse par un rouleau ou etire, À par un reseau grave dans le substrat, imprime ou photoinduit. Le procede conforme a la presente invention permet l'obtention d'une couche d'alignement d'ancrage zenithal faible, d'ancrage azimutal fort et d'un pretilt controle compris entre 0 et 1 . Les energies d'ancrage zenithal et azimutal ainsi que le pretilt peuvent etre modifes d'une facon controlee par les traitements thermiques, W ou de brossage precedemment decrits. Deux exemples de realisation selon ['invention vent decrits ci-dessous. Un premier exemple a permis de monter une cellule cristal liquide d'epaisseur 1,S microns entre deux plaques de verre recouvertes d'ITO. L'une a re,cu une evaporation de SiO (d'epaisseur: 107 nm) pour donner un ancrage fort incline. L'autre electrode a ete recouverte de copolymere selon ['invention d'epaisseur inferieurs a 20 nm et traite selon le procede de ['invention: Etape 1: depot par centrifugation du polymere a partir d'une solution a 0,75% en masse dans un melange 50/50 de Nmethylpyrrolidone/butoxy ethanol, Etape 2: recuit a 150 C pendant lh30, Etape 3: insolation (\ =254 nm) pendant 2 heures avec une lampe a vapeur de mercure de 100 Watts. Etape 4: recuit a 150 C pendant 30 minutes. Etape 5: brossage, pour induire l'ancrage azimutal, avec un rouleau recouvert de velours textile. Les deux lames decrites vent assemblees pour realiser une cellule du type Binem. La cellule est remplie de cristal liquide dope melange adapte a la technologie de type Binem (pas chiral: 5,6 microns). La cellule fonctionne avec des impulsions de l O Volts a temperature ambiante et presente un contraste de 50. Dans un deuxieme exemple, le cristal liquide utilise est un autre melange adapte a la technologie de type Binem avec une plage de fonctionnement de 0 C a plus de 50 C pour des impulsions de commande variant respectivement de 35 a 2 Volts. Les ancrages planaires faibles prepares selon ['invention ont les caracteristiques suivantes: - les couches d'alignement vent stables chimiquement et mecaniquement dans le temps, au contact des melanges de cristaux liquides utilises, - l'ancrage presente un falble pretilt, typiquement de l'ordre de 0,3 , - la longueur d' extrapolation de l'ancrage zenithal, mesuree par une technique de champ fort, pour le 5 CB a temperature de 22 C, est proche de Lz=80nm. Plusieurs melanges nematiques commerciaux ont ete testes et la longueur d' extrapolation varie de 40 a 80 nm en fonction du nematique a temperature ambiante. Ces valeurs correspondent a des energies d'ancrage zenithales beaucoup plus faibles que celles obtenues avec les polymeres classiques utilises dans les afficheurs nematiques en helice. La force de l'ancrage azimutal obtenu depend du traitement realise sur les couches. Par brossage, on obtient par exemple des longueurs d' extrapolation azimutales pouvant varier entre 50 et 200 nm. Ces valeurs vent compatibles avec le fonctionnement des cellules de type Binem. Le procede selon la presente invention presente notamment les avantages suivants: - il evite la realisation d'ancrage faible energie sous vice avec une couche d'oxyde de silicium SiO. Le processus de depot sous vice est long et couteux, de plus il est difficile a controler; - l'utilisation d'une couche polymere selon la presente invention offre les avantages notables de simplicite et de cout de fabrication plus faible; - le petit pretilt, stable en temperature et en duree, optimise la commutation et permet un fonctionnement de type Binem avec des impulsions de commande plus courses. Bien entendu, la presente invention n'est pas limitee aux modes de realisation particuliers qui viennent d'etre decrits, mais s'etend a toutes variantes conformes a son esprit. REVENDICATIONS 1. Procede de realisation de dispositifs a cristaux liquides nematiques, caracterise par le fait qu'une faible energie d'ancrage zenithale du cristal liquide est obtenue sur au moins une de ses plaques de confinement, par les etapes consistent a: À deposer, sur un substrat, un polymere ou un copolymere ou un terpolymere choisi parmi les polymeres ou les copolymeres derives des pol y (chlo rure de vinyl e- co - al kyl ether de vi nyl e) o u de s po ly ( chlorure de vinyle-co-arylether de vinyle), À stabiliser ce depot polymere, et À definir une orientation azimutale du depot induisant un ancrage azimutal controle du cristal liquide. 2. Procede selon la revendication 1, ou les polymeres ou les copolymeres vent derives de chlorure de vinyle et d'ether de vinyle de formule I tCH2:tCH2 tHt Cl OR dans lequel R represente un radical alkyl ou aryl substitue ou non, n et m peuvent varier de 0 a 1,avec de preference des valeurs comprises pour n: 0,5 m: 0,2 3. Procede selon la revendication 1 ou 2, caracterise par le fait que les copolymeres vent constitues de chlorure de vinyle et de ['ether isobutylique de vinyle de formule II: tCH2 CH]CH2 CH Ci OCH2CH(CH3)2 II 4. Procede selon l'une quelconque des revendications 1 a 3, caracterise par le fait que le polymere est un copolymere de poly(chlorure de vinyle co- t isobutylether de vinyle). S. Procede selon la revendication 1, caracterise par le fait que le polymere est un terpolymere a base de poly(chlorure de vinyle) - poly(isobutylether de vinyle) et d'un autre comonomere derive de l'alcool vinylique. 6. Procede selon l'une quelconque des revendications 1 a 5, ou la stabilisation met en aeuvre une insolation sous la lumiere ultra-violet/e. 7. Procede selon l'une quelconque des revendications 1 a 5, ou un ou plusieurs recuits induisent la stabilisation. 8. Procede selon l'une quelconque des revendications 1 a 7, ou la stabilisation utilise un ou plusieurs recuits effectues avant etlou apres ['insolation. 9. Procede selon l'une quelconque des revendications 1 a 8, caracterise par le fait que l'etape ou les etapes de cuisson vent operees a des temperatures inferieures a la temperature de fusion (Tf) du polymere. 10. Procede selon l'une quelconque des revendications 1 a 9, caracterise par le fait que ltetape dtinsolation est operee a ['aide de lumiere ultraviolette de longueur d'onde comprise entre 180 et 380 nm. 11 Procede selon l'une quelconque des revendications 1 a 10, caracterise par le fait que l'etape consistent a definir un ancrage azimutal controle du cristal liquide est assuree par le fait que le polymere (copolymeres et terpolymeres PVC-ether ou ester de l'alcool vinylique) est frotte avec un rouleau recouvert de textile. 12. Procede selon l'une quelconque des revendications 1 a 11, caracterise par le fait que l'etape consistent a definir un ancrage azimutal controle du cristal liquide est assure par le depot du polymere sur un substrat rendu deja anisotrope par un traitement particulier tel que: un autre polymere brosse ou etire, SiO ou un autre oxyde evapore, un reseau (grave, imprime ou photoinduit). S 13. Procede selon la revendication 12, caracterise par le fait que l'ancrage azimutal est fort. 14. Procede selon l'une quelconque des revendications 1 a 13, caracterise par le fait que toutes les etapes de traitement vent choisies pour definir un pretilt controle et stable de ['orientation du nematique, de valeurs comprises entre 0 et 1 , de preference entre 0,1 et 0,5 . 15. Procede selon l'une quelconque des revendications 1 a 14, caracterise par le fait que le polymere est depose sur le substrat par centrifugation. 16. Procede selon l'une quelconque des revendications 1 a 1S, caracterise par le fait que le polymere est depose sur le substrat par flexographie ( printing>>). 17. Procede selon l'une quelconque des revendications 1 a 16, caracterise par le fait que le polymere est depose en solution dans un solvent a base de cetone telle que la methylethylcetone, de dimethylformamide, de Nmethyl pyrrolidone ou du butoxy ethanol ou de leurs melanges. 18. Dispositif a cristaux liquides nematiques bistables, utilisant au moins une couche d'ancrage faible energie zenithale realisee par un procede selon l'une quelconque des revendications 1 a 17. 19. Dispositif selon la revendication 18, caracterise par le fait que la couche d'ancrage de faible energie zenithale est deposee sur une electrode