Brevet FR2863062A1 — publié le 20050603

DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne le domaine des dispositifs d'affichage à cristal liquide et plus précisément la configuration optique d'un afficheur nématique bistable fonctionnant selon un mode optique qui optimise l'état noir de cet afficheur. BUT DE L'INVENTION Le but de l'invention est d'obtenir un afficheur bistable avec un état noir de très bonne qualité, c'est à dire un afficheur ayant dans cet état une très faible transmission optique, tout en tenant compte de certaines contraintes susceptibles d'être imposées à la cellule. Généralement le mode optique pour lequel la qualité du noir est prépondérante est le mode transmissif, mais les configurations optiques calculées ici permettent également de réaliser un écran fonctionnant selon un mode transflectif ou réflectif. ETAT DE LA TECHNIQUE Afficheur à cristal liquide bistable commutant entre deux textures différant de 1800 Le type d'afficheur à cristal liquide bistable considéré dans cette invention est un afficheur qui commute entre deux textures, stables sans champ électrique appliqué (d'où sa bistabilité), différent entre elles d'un angle de u. Pour l'une des textures, l'ange (I) u que font les directeurs des molécules de cristal liquide sur les deux surfaces de la cellule entre eux, est de l'ordre de 0 à 20 . Les molécules restent presque parallèles entre elles, et nous appellerons cette texture U. La seconde texture T présente un angle de torsion (f,T=1u ic. Les molécules effectuent, dans cette texture T, une rotation d'environ 180 ( 20 ) entre les deux surfaces de la cellule. A ce jour deux afficheurs utilisant ce principe ont été décrits. Le document [1] décrit un afficheur qui réalise une commutation entre les deux textures U et T en appliquant une impulsion de champ électrique de forme précise. Cet afficheur est basé sur une cassure de l'ancrage zénithal de la molécule de cristal liquide, sur une des surfaces d'alignement (documents [2] et [3]), c'est à dire que la molécule est levée par le champ électrique avant de retomber d'un côté ou de l'autre, permettant ainsi l'obtention des deux textures U et T. Dans ce cas, la structure des électrodes nécessaires à l'application du champ est standard, identique à celle utilisée pour les afficheurs cristaux liquides de type TN ou STN. Cet afficheur est dénommé généralement BiNem . Le document [4] décrit un afficheur qui utilise également une cassure d'ancrage et un type particulier d'électrodes (dénommé comb shaped electrodes ), permettant d'obtenir une composante du champ électrique latéral, c'est à dire parallèle au substrat. La commutation entre les deux textures est effectuée dans ce cas par un effet qualifié par l'auteur de cassure d'ancrage azimutal (documents [5] et [6]). La méthode de commutation n'est pas essentielle pour la présente invention. En effet quelque soit le mode de commutation (cassure d'ancrage zénithal ou azimutal), les textures des molécules de cristal liquide sont les mêmes, la commutation s'opérant entre deux textures tordues, l'une faiblement tordue d'angle (I)u, nommée U, et l'autre fortement tordue d'angle 4T = 4u it prénommée T. Et le comportement optique de l'afficheur dépend uniquement des textures des molécules de cristal liquide. Modes optiques de tels afficheurs On a schématisé sur la figure 1 annexée un afficheur à cristal liquide du type décrit précédemment, auquel peut s'appliquer la présente invention. Cet afficheur comprend: un polariseur analyseur 10 côté observateur, ^ deux plaques 20, 30 confinant les molécules de cristal liquide nématique séparées d'une distance d, et un polariseur 40 disposé sur l'arrière de l'afficheur, soit à 10 l'opposé de l'observateur. On a représenté sur la figure 1 un repère orthonormé x', y' z', dont les directions x' et y' définissent un plan perpendiculaire à la direction de propagation des rayons lumineux et z' est parallèle à cette direction de propagation. Le directeur nématique des molécules sur la plaque 20 (c'est à dire la direction d'ancrage sur cette plaque 20) est référencé 22. Le directeur nématique sur la plaque 30 est référencé 32. Les ancrages sur les plaques 20 et 30 sont adaptés pour permettre une commutation des molécules de cristal liquide nématique entre deux états respectivement stables U et T, qui diffèrent entre eux d'une torsion de l'ordre de t, par application de signaux électriques appliqués sur des électrodes prévues sur les plaques 20 et 30, selon les modalités connues décrites dans les documents précités. Une telle cellule est caractérisée par: - son retard And, produit de la différence d'indice An du cristal liquide par l'épaisseur d de la cellule, -sa torsion 4, - les angles P et A que font respectivement le polariseur arrière 40 30 ou P d'entrée et le polariseur analyseur 10 ou A de sortie 2863062 4 (analyseur) avec un repère fixe (qui selon la figure 1 coïncide arbitrairement avec l'axe x'). Le polariseur de sortie 10, situé du côté de l'observateur est toujours de type transmissif. Le mode optique est déterminé par 5 la nature du polariseur arrière 40: En mode purement transmissif, l'écran opère comme une diapositive, l'architecture optique est: source - écran - observateur. Le polariseur 40 est de type transmissif. En mode transflectif, le polariseur 40 est transflectif, c'est à dire partiellement réfléchissant: une partie de la lumière polarisée est transmise, l'autre partie est réfléchie. Cela permet à l'écran de fonctionner soit en mode transmissif lorsqu'il est éclairé par une source arrière, soit en mode réflectif utilisant la lumière ambiante comme source de lumière lorsqu'il n'est pas rétroéclairé. En mode réflectif le polariseur 40 est de type réflectif. L'écran est alors exclusivement éclairé par la lumière ambiante réfléchie par ce polariseur 40. Les documents [4] et [6] calculent un mode optique transmissif pour une longueur d'onde précise permettant d'obtenir pour cette longueur d'onde (par exemple 550 nm), simultanément une transmission optique T=0 pour une des deux textures (état noir) et une transmission optique T=1 pour l'autre texture. Les auteurs obtiennent par le calcul plusieurs ensembles de valeurs des caractéristiques de la cellule (And, 4, P et A). L'ensemble des valeurs correspondant au retard optique And le plus faible est donné sur le tableau 1 annexé. Ce calcul des valeurs optimales est effectué à l'aide de la forme analytique de la transmission optique d'une cellule cristal liquide en fonction des paramètres And, 4, P et A, donnée dans de nombreuses publications (documents [7] ou [8] par exemple). La formule donnée dans le document [8] est la suivante: T(0,2) = cos 2 (a + f) cos 2 X cos 2a cos 2C /3 X tan X tan 2a [ X tan X + tan 2f] [1] avec +(7rAnd 2 b, Dans cette formule a et 3 sont les angles que font respectivement le polariseur 40 et l'analyseur 10 avec le directeur du cristal liquide 32, 22 respectivement situé du même côté. Soit 1p et 4)A les angles que font les directeurs 32 et 22 avec l'axe x' du repère x'y'z'. Alors: P=a + ()p et A = j3 + 4A (voir figure 1) La valeur de la torsion de la texture de la cellule de cristal liquide est obtenue en effectuant la différence entre le directeur 22 du cristal liquide sur une des faces de la cellule et le directeur 32 sur l'autre face: = 4)A_ 4p. La formule [1] peut être également obtenue en fonction de A et P au lieu de a et p. Pour une simplification des notations, nous prendrons le directeur 32 du cristal liquide côté polariseur 40 selon x' soit (1)p =0 et 4)A = 4 d'où : P=aetA=[3+I) Les auteurs des documents [4] et [6] cherchent, pour une longueur d'onde donnée, les conditions qui annulent la transmission, puis pour la torsion augmentée de 'Tc les conditions qui permettent d'obtenir la valeur maximale de 1. Le retard And pris pour les deux calculs doit bien entendu être le même. Les transmissions respectives des états blanc et noir ainsi obtenues sont données sur la figure 2 annexée en fonction de la longueur d'onde. [2] 2863062 6 Figurent également dans le tableau 1 annexée la valeur des luminances normalisées de l'état noir et de l'état blanc calculées sur l'ensemble du spectre visible, ainsi que le contraste CR, rapport des deux luminances. Ces valeurs permettront de comparer les configurations proposées selon l'état de la technique et celles proposées dans le cadre de la présente invention. Les luminances normalisées sont calculées comme suit: JjJ(2)s(2)dÀ. avec T(?) transmission optique de la cellule cristal liquide, (2) sensibilité de l'aeil et s(X) spectre de la source d'illumination, que nous supposons constant et égal à 1 (spectre dit plat ). Ce calcul de mode est effectué en partant du principe que - l'on cherche les points qui vérifient simultanément le noir parfait et le blanc parfait pour les 2 textures différant de 7t, à une longueur d'onde fixée, et tous les paramètres de la cellule sont libres. DESCRIPTION DE L'INVENTION Les inventeurs proposent une démarche différente qui permet d'obtenir pour une cellule [ci)u;(1)T] un mode optique possédant un très bon noir, et qui tient compte de certaines contraintes industrielles. Les inventeurs proposent plus précisément d'appliquer cette démarche à une cellule réelle, c'est à dire en tenant compte d'un ancrage azimuthal dit fini (c'est à dire non infiniment fort) par exemple sur une des couches d'alignement. Dans ce cas, les deux textures diffèrent d'un angle légèrement inférieur à 7L. La présente invention propose ainsi un dispositif d'affichage à cristal liquide nématique présentant deux états stables par L J T)Y (2)s (,%)d 2 2863062 7 cassure d'ancrage, caractérisé par le fait qu'il comprend deux polariseurs, l'un placé côté observateur, l'autre sur la face opposée de la cellule à cristal liquide, l'orientation des deux polariseurs étant décalée d'une valeur égale au pouvoir rotatoire de la cellule +/- n /2, le pouvoir rotatoire correspondant à l'effet de la texture la plus tordue. Selon d'autres caractéristiques avantageuses de la présente invention: le retard optique And est de l'ordre de 240 +/- 80 nm, 10. l'orientation du polariseur placé à l'opposé de l'observateur, par rapport au directeur nématique sur la face associée de la cellule, est comprise dans la gamme comprenant la plage +/-(20 à 70 ) tandis que l'orientation du polariseur placé du côté de l'observateur, par rapport à la même référence de directeur nématique, est comprise dans la gamme comprenant la plage de +/(20 à 70 ), pour un cristal liquide levogyre, l'orientation du polariseur placé à l'opposé de l'observateur est comprise dans la gamme comprenant les plages -70 à -40 et 20 à 55 tandis que l'orientation du polariseur placé côté observateur est comprise dans la gamme comprenant les plages 55 à -20 et 35 à 70 , et pour un cristal liquide dextrogyre, l'orientation du polariseur placé à l'opposé de l'observateur est comprise dans la gamme comprenant les plages - 55 à - 20 et 40 à 70 tandis que l'orientation du polariseur placé côté observateur est comprise dans la gamme comprenant les plages - 70 à -35 et 20 à 55 , l'angle de torsion des molécules dans l'un des deux états stables est compris entre 0 et 15 , l'angle de torsion des molécules dans l'un des deux états stables 30 est compris entre 0 et 15 , le retard optique And = 200 +/- 40 2863062 8 nm et pour un cristal liquide levogyre, l'orientation du polariseur opposé à l'observateur est comprise dans la gamme [-60 ;-40 ] U [30 ; 50 ], tandis que l'orientation du polariseur côté observateur est comprise dans la gamme [- 50 ;-25 ] U [40 70 ], l'angle de torsion des molécules dans l'un des deux états stables est compris entre 0 et 15 , le retard optique And = 200 +/- 40 nm et pour un cristal liquide dextrogyre, l'orientation du polariseur opposé à l'observateur est comprise dans la gamme [-50 ;-30 ] U [40 ; 60 ], tandis que l'orientation du polariseur côté observateur est comprise dans la gamme [-70 ;-40 ] U [25 50 ], l'angle de torsion des molécules dans l'un des deux états stables est compris entre 0 et 15 , le retard optique And = 280 +/- 40 nm et pour un cristal liquide levogyre, l'orientation du polariseur opposé à l'observateur est comprise dans la gamme [-65 ;-45 ] U [25 ; 50 ], tandis que l'orientation du polariseur côté observateur est comprise dans la gamme [-50 ;-20 ] U [40 ;70 ], 20. l'angle de torsion des molécules dans l'un des deux états stables est compris entre 0 et 15 , le retard optique And = 280 +/- 40 nm et pour un cristal liquide dextrogyre, l'orientation du polariseur opposé à l'observateur est comprise dans la gamme [-50 ;-25 ] U [45 ; 65 ], tandis que l'orientation du polariseur côté observateur est comprise dans la gamme [-70 ;-40 ] U [20 50 ], l'angle que font les directions de brossage entre elles est compris entre 10 et 15 , le retard optique And = 200 +/- 40 nm et pour un cristal liquide levogyre l'orientation du polariseur opposé à l'observateur est comprise dans la gamme [-55 ;-35 ] U [35 2863062 9 550] préférentiellement [-40 ;-500] U [40 ; 50 ], tandis que l'orientation du polariseur côté observateur est comprise dans la gamme [- 45 ;-25 ] U [45 ; 70 ] préférentiellement [-45 ; - 25 ] U [50 ; 65 ], 5. l'angle que font les directions de brossage entre elles est compris entre 10 et 15 , le retard optique And = 200 +/- 40 nm et pour un cristal liquide dextrogyre, l'orientation du polariseur opposé à l'observateur est comprise dans la gamme [-35 ;-55 ] U [35 55 ] préférentiellement [-40 ;-50 ] U [40 ; 50 ], tandis que l'orientation du polariseur côté observateur est comprise dans la gamme [70 ;-45 ] U [25 ; 45 ] préférentiellement [-65 ; - 50 ] U [25 ; 45 ] l'angle que font les directions de brossage entre elles est compris entre 0 et 10 , le retard optique And = 200 +/- 40 nm et pour un cristal liquide levogyre, l'orientation du polariseur opposé à l'observateur est comprise dans la gamme [-65 ;-40 ] U [25 50 ] préférentiellement [-60 ;-45 ] U [30 ; 45 ], tandis que l'orientation du polariseur côté observateur est comprise dans la gamme [-55 ;-25 ] U [35 ; 65 ] préférentiellement [-50 ; - 30 ] U [40 ; 60 ] l'angle que font les directions de brossage entre elles est compris entre 0 et 10 , le retard optique And = 200 +/- 40 nm et pour un cristal liquide dextrogyre, l'orientation du polariseur opposé à l'observateur est comprise dans la gamme [-50 ;-25 ] U [40 65 ] préférentiellement [-45 ;-30 ] U [45 ; 60 ], tandis que l'orientation du polariseur côté observateur est comprise dans la gamme [- 65 ;-35 ] U [25 ; 55 ] préférentiellement [-60 ; 40 ] U [30 ; 50 ] I 'angle que font les directions de brossage entre elles est 30 compris entre 0 et 5 , le retard optique And = 280 +/- 40 nm et pour un cristal liquide levogyre, l'orientation du polariseur opposé à l'observateur est comprise dans la gamme [-70 ;-45 ] U [20 ; 45 ] préférentiellement [- 65 ;-50 ] U [25 ; 40 ], tandis que l'orientation du polariseur côté observateur est comprise dans la gamme [-50 ;-25 ] U [40 ; 65 ] préférentiellement [-45 ; - 30 ] U [45 ; 60 ], l'angle que font les directions de brossage entre elles est compris entre 0 et 5 , le retard optique And = 280 +/- 40 nm et pour un cristal liquide dextrogyre, l'orientation du polariseur opposé à l'observateur est comprise dans la gamme [-45 ;-20 ] U [45 ; 70 ] préférentiellement [-40 ;-25 ] U [50 ; 65 ], tandis que l'orientation du polariseur côté observateur est comprise dans la gamme [-65 ;-40 ] U [25 ; 50 ] préférentiellement [- 60 ; -45 ] U [30 ; 45 ]. La présente invention propose également un procédé d'optimisation de l'orientation de deux polariseurs dans un dispositif d'affichage à cristal liquide nématique présentant deux états stables par cassure d'ancrage, caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes consistant à calculer le pouvoir rotatoire de la cellule et à positionner les deux polariseurs, l'un placé côté observateur, l'autre sur la face opposée de la cellule à cristal liquide, selon une orientation décalée d'une valeur égale au pouvoir rotatoire de la cellule +/- t /2, le pouvoir rotatoire correspondant à l'effet de la texture la plus tordue. Selon d'autres caractéristiques avantageuses du procédé de la présente invention: le pouvoir rotatoire PR est calculé sur la base de la relation: PR = arctg[ tgX [3] avec X(0,2)= 02 +I 71-d) 2 le procédé comprend les étapes consistant à: - calculer le pouvoir rotatoire PR à l'aide d'une formule exploitant le retard optique And, la torsion et la longueur d'onde 1, - fixer l'orientation A du polariseur de sortie (10) égale à P+PR+/-Tc /2, P représentant l'orientation du polariseur (40) côté opposé à l'observateur et PR le pouvoir rotatoire, - rechercher les valeurs de P qui donnent la plus forte valeur de transmission résultante pour la valeur de torsion de l'ordre de 10 +/- 71 et - en déduire A. la valeur de la transmission est définie par la relation: Tas(O,2)=cos2(a+f) cos2X cos 2a cos 2f1 tan X tan2a I tan X + tan 2)61 [1]. 15. le pouvoir rotatoire PR est calculé sur la base d'une valeur de torsion optimal 4opt déterminé sur la base de la relation: (And\z o le pouvoir rotatoire PR est calculé sur la base d'une valeur de torsion imposée par l'ancrage azimuthal. 20. le procédé comprend une étape d'adaptation des angles des polariseurs pour améliorer la neutralité colorimétrique du blanc obtenu. le pouvoir rotatoire PR est calculé sur la base d'une valeur de torsion qui intègre un décrochage (DE) résultant d'un ancrage 25 azimuthal fini. D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui 2863062 12 va suivre et en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemple non limitatif et sur lesquels: - la figure 1 représente schématiquement une cellule à cristaux liquides applicable à la présente invention et définit les angles 5 utilisés dans la suite de l'exposé, - la figure 2 représente les transmissions respectives des états blanc (figure 2a) et noir (figure 2b) obtenues à l'aide d'un dispositif conforme à la présente invention, en fonction de la longueur d'onde, - la figure 3 représente schématiquement les angles yf et w caractéristiques d'une polarisation elliptique, - la figure 4 représente le pouvoir rotatoire en fonction du retard optique pour un paramètre 4 libre, - la figure 5 représente la transmission optique de la configuration (And = 193mm) décrite dans le tableau 2 en fonction de la longueur d'onde, respectivement pour l'état blanc sur la figure 5a et pour l'état noir sur la figure 5b, - la figure 6 représente schématiquement les directions de brossage côté analyseur et polariseur et les orientations des molécules de cristal liquide sur les couches d'alignement pour le cas d'un ancrage azimuthal infiniment fort, - la figure 7 représente le pouvoir rotatoire en fonction du retard optique pour un paramètre imposé, - la figure 8 représente la transmission optique de la configuration 25 (And = 275mm, 4 imposé à ú = 0 et 4T = -180 ) décrite dans le tableau 3 en fonction de a, - la figure 9 représente la transmission optique de la configuration (And = 275mm, 4) imposé à 4u = 0 et 4T = -180 ) décrite dans le tableau 3 en fonction de la longueur d'onde, respectivement pour l'état blanc sur la figure 9a et pour l'état noir sur la figure 9b, 2863062 13 - la figure 10 représente la transmission optique de la configuration (And = 193mm, d imposé à 1u = 0 et 4)T = -180 ) décrite dans le tableau 3 en fonction de la longueur d'onde, respectivement pour l'état blanc sur la figure l0a et pour l'état noir sur la figure 10b et - la figure 11 représente schématiquement une vue similaire à la figure 3 pour le cas d'un ancrage azimuthal fini sur la plaque de la cellule située du côté de l'analyseur. Les calculs d'optimisation sont effectués par la suite pour le mode transmissif. Cependant la présente invention est directement applicable pour la réalisation d'écrans transflectifs ou réflectifs, la seule différence étant la nature du polariseur arrière 40, toutes choses étant égales par ailleurs. DEMARCHE DE CALCUL POUR OPTIMISER LE MODE 15 TRANSMISSIF D'UNE CELLULE [4u >r] Tout d'abord ce qui caractérise la performance d'un mode transmissif est la qualité de son noir. L'optimisation de l'état noir doit donc être faite non pas sur une longueur d'onde unique mais sur l'ensemble du spectre visible. La condition T=1 pour l'état blanc à une longueur d'onde fixée n'est pas nécessaire, l'écran étant éclairé par une source arrière, une perte sur l'état blanc est acceptable, à condition qu'elle ne soit pas trop importante. La démarche suivie par les inventeurs consiste à calculer le mode optimum donnant le meilleur noir pour plusieurs valeurs de retard And. La valeur de retard finalement choisie dépendra du compromis qualité du noirqualité blanc souhaité. La texture T est plus stable optiquement que la texture U, elle est donc choisie par les inventeurs pour obtenir le noir. Caractéristiques de la polarisation après la traversée de la couche de cristal liquide Les inventeurs utilisent le formalisme de Poincaré, qui décrit les différents états de polarisation possibles ainsi que l'évolution de celle-ci lors de sa propagation dans la cellule par un tracé sur une sphère prénommée sphère de Poincaré (voir documents [9] ou [10]). Cet outil très puissant pour qui sait voir dans l'espace tridimentionnel permet une meilleure compréhension de l'effet optique de la cellule de cristal liquide pour la texture fortement tordue (torsion de l'ordre de Tc) , qui est utilisée pour le noir dans le mode transmissif. Le principal résultat obtenu grâce à cet outil est que la texture T (torsion (I)T de l'ordre de n) est, pour des retards de cellules And inférieurs ou égaux à 2/2 (. représentant une longueur d'onde du spectre visible), équivalente à un pouvoir rotatoire PR presque parfait. Ceci signifie que quel que soit l'angle de la polarisation d'entrée P, la polarisation de sortie Pout est faiblement elliptique (presque linéaire) et le grand axe de cette ellipse fait un angle PR par rapport à P. La polarisation de sortie Pout, a priori quelconque donc elliptique, peut être caractérisée par 2 angles'P et w. 'P est l'angle que fait le grand axe de l'ellipse avec x' et w caractérise l'ellipticité de la polarisation telle qu'illustré figure 3. On a P=P+PR Grâce à la sphère de Poincaré il est également possible 25 d'obtenir la forme analytique de PR (valeur approchée) et de (o. PR - arctg tgX) [3] sin2a = 2sin77 sin X(cos 2a cos 17 sin X + sin 2a cos X) [4] avec cos?? = - X La formule [3] est valable en première approximation, lorsque X est proche de t, ce qui est toujours vrai dans les cas 5 traités dans la présente demance. L'annulation de l'éllipticité 0) équivaut à l'obtention en sortie de cellule d'une polarisation linéaire, c'est à dire une configuration ou l'on pourra obtenir avec l'analyseur un noir ou un blanc parfait. Le fait de pouvoir prédire grâce à la formule [3] la valeur du pouvoir rotatoire, permet de calculer l'angle yJ de la polarisation de sortie Pout. La configuration A pour l'analyseur 10 donnant le meilleur noir pour une orientation P du polariseur 40 donnée est A perpendiculaire à yf. Soit A = P+PR n/2 [5] La condition qui annule l'éllipticité co est X=it. Soit. 1 (And\z /lo Ainsi lorsque ? est fixé, il existe une relation entre 4 et And permettant d'obtenir une polarisation de sortie Pout linéaire, ce qui garantit l'obtention d'un noir parfait à un donné, avec l'analyseur 10 perpendiculaire à la polarisation de sortie. Nous appellerons epopt la valeur de 4 calculée avec la formule [6] pour un retard And donné. La configuration optimale est calculée pour un retard de cellule and et une longueur d'onde 1 donnée. [6] 2863062 16 Le mode opératoire pour calculer la meilleure configuration dans le cadre de la présente invention est de préférence le suivant: Cas où le paramètre $ est libre La formule [6] permet de calculer la valeur de ( optimale 4)opt pour le retard choisi. Optimisation du noir A partir des valeurs fixées de And et Io (%o étant une longueur d'onde choisie dans le spectre visible, par exemple 550 nm), on détermine 4)T=4)opt à partir de la formule [6], puis on calcule avec la formule [3] la valeur exacte du pouvoir rotatoire PR. La valeur du pouvoir rotatoire PR en fonction du retard de la cellule est donné figure 4. On constate que pour un retard entre 190 nm et 320 nm, PR varie entre 10 et 35 . Pour obtenir un noir il faut une orientation A de l'analyseur 10 perpendiculaire à la polarisation de sortie Pout (formule [5]): Soit A = P+PR TE/2 Recherche du meilleur blanc A (ou [3) est remplacé par sa valeur en fonction de P (ou a) dans la formule de la transmission telle que la formule [1], avec = 4)T+7r. La seule variable restante est P (ou a). On recherche la valeur de P (ou a) qui donne la valeur la plus élevée de T. Une fois P déterminée, la valeur de A est obtenue à l'aide de la formule [5]. Exemple de calcul - Amélioration de l'état noir Partant de ces considérations, il apparaît qu'une diminution du retard And de la cellule par rapport à la valeur préconisée par l'état de la technique permet d'améliorer très nettement la qualité du noir, le prix à payer étant une perte sur l'état passant (blanc). Le tableau 2 annexé donne plusieurs ensembles théoriques de paramètres de la cellule optimisés pour obtenir le meilleur noir sur le spectre visible calculés selon la démarche décrite précédemment. Pour le cas And= 193 nm, on voit que le contraste a été multiplié par 3 par rapport à la solution traditionnelle du tableau 1 (état de la technique), au prix d'une perte de 20% sur l'état blanc. Les transmissions respectives des états blanc et noir obtenues pour le cas And= 193 nm décrit dans le tableau 2 sont données figure 5 en fonction de la longueur d'onde. Le spectre du noir est très amélioré dans le bleu, au prix d'un état blanc moins plat qui sera légèrement bleuté. Cependant les valeurs données sur le tableau 2 correspondent à des valeurs théoriques. En pratique les processus de fabrication industrielle de cellules à cristaux liquides imposent des contraintes sur les ancrages et torsion réels dont il convient de tenir compte. Prise en compte de la contrainte cl) imposé Dans le cas pratique d'un ancrage azimutal infiniment fort le directeur 22, 32 sur chaque face 20, 30 de la cellule est déterminé par la direction de brossage de la couche d'alignement (par exemple de type chimique polyimide) utilisée sur cette face. En effet pour un ancrage azimutal infiniment fort, le directeur du cristal liquide s'aligne parallèlement à la direction de brossage (voir figure 6). Dans ce cas, une valeur précise de 4 est obtenue en fixant les directions de brossage des deux couches d'alignement sur la machine de production de l'afficheur, pour qu'elles fassent entre elles un angle (1). Pour des questions de commodité de montage ou de bon fonctionnement de la cellule, les angles des directions de brossage de la cellule peuvent être imposées, ce qui impose donc (1)u et 1T. 2863062 18 Dans ce cas, le calcul de la meilleure configuration pour P et A selon le critère: meilleur noir sans trop de pertes sur le blanc , n'est pas aisé avec une formule analytique telle que [1]. La démarche proposée par les inventeurs permet d'effectuer plus facilement ce calcul. Le pouvoir rotatoire est calculé pour la valeur de (1)-r imposée, puiscomme précédemment la valeur de A en fonction de P découlant de la formule [5] est injectée dans la formule [1] pour 4)U imposé, et l'on recherche les valeurs de P qui maximisent la transmission. Exemples de calcul avec 1 imposé On prend par exemple 1T = -t soit (u = 0 (directions de brossage antiparallèles) et X=550 nm. Dans ce cas, a=P et 13=A La valeur calculée du pouvoir rotatoire en fonction du retard de la cellule est donné figure 7. En comparaison avec la figure 4 où 4) est optimal, on voit que PR dépend essentiellement en première approximation du retard, et également de la valeur de 4). Exemple 1: and = 275 nm On calcule PR = 19,2 et a = a +PR 1T/2 La transmission T calculée pour 4)u=0 est donnée figure 8. Les valeurs de a qui donnent la valeur maximale de T sont (voir figure 8): a = -54 d'où R = 55 a = 36 d'où R = -35 Ces deux configurations sont équivalentes. Les transmissions optiques des états blanc et noir sont données figure 9. Les performances de cette configuration sont données dans le tableau 3. Exemple 2: And = 193 nm De la même façon que pour l'exemple 1, on calcule: PR = 10,17 Les transmissions optiques des états blanc et noir sont données figure 10. Les performances de cette configuration sont données dans le tableau 3. On retrouve pour ces deux cas de retard à imposé les mêmes tendances que pour libre: un meilleur noir pour 193 nm au prix d'un blanc moins lumineux et moins plat . CAS REEL D'UN ANCRAGE AZIMUTHAL FINI Lorsque l'ancrage azimutal est fini (non infiniment fort), les forces élastiques qui s'exercent sur les molécules proches de la surface du fait du dopage chiral du mélange cristal liquide, vont faire décrocher ces molécules, c'est à dire que le directeur du cristal liquide n'est plus strictement parallèle à la direction de brossage, mais décalé d'un angle DE appelé décrochage élastique . Pour simplifier l'illustration, on suppose qu'une seule couche d'ancrage possède un ancrage azimutal fini, l'autre couche possédant un ancrage azimutal infiniment fort. Le décrochage va dans le sens de diminuer la valeur absolue de la torsion de faible valeur 4u, qui devient par exemple 1)u - DE pour 1u >0, et de diminuer la valeur absolue de la torsion de forte valeur 4)T, qui devient par exemple (1)T + DE pour (I)T Nous appelons (1)* l'angle que font les directions de brossage entre elles. Du fait du décrochage on a: VT -OU =-zr+2.DE a = -50 d'où [3 = 55 a = 40 d'où 13 = -40 Le décrochage élastique est directement relié à la force d'ancrage azimutale caractérisée par sa longueur d' extrapolation Laz selon la relation: DE _ 7r.La, 2d Un ancrage azimutal fini possède typiquement Laz de l'ordre de 100 à 200 nm, soit DE compris entre quelques degrés et 15 environ. Le paramètre DE est un paramètre physique mesurable expérimentalement, donc supposé connu. Les inventeurs ont choisi pour les exemples suivants des 10 valeurs de DE de 5 et 10 . Cas où le paramètre (1)* est libre Nous allons calculer les valeurs optimales de 4* en fonction du décrochage DE, ainsi que la configuration optique correspondante. Pour chaque retard And on appelle 1opt la valeur optimale de la forte torsion telle que définie par la formule [6]. La valeur effective de la forte torsion 4yT vaut (voir figure 11) : 0T =-g+ç*+DE On veut (I)T = itopt d'où 0*= +(op,-DE Le pouvoir rotatoire est calculé pour (And, 4opt), puis la relation entre A et P est injectée dans la formule [1] pour 4I)u _ e* - DE, et l'on recherche graphiquement les valeurs de P qui maximisent la transmission. Exemple de calcul avec And = 193 nm La valeur de 4opt est dans ce cas 168,5 , correspondant à un pouvoir rotatoire de 11,5 . 2863062 21 Les calculs et les performances de la configuration optimisée correspondant à chaque valeur de décrochage sont donnés sur le tableau 4. On retrouve des performances proches de celles du tableau 2, ce qui est logique car dans les deux cas il est possible de configurer la cellule telle que 4)T soit égal à 1) optimum, ce qui garantit un bon noir. Exemple de calcul avec And = 275 nm La valeur de 4)opt est dans ce cas 156 , correspondant à 10 un pouvoir rotatoire de 24 . Les calculs et les performances de la configuration optimisée correspondant à chaque valeur de décrochage sont donnés sur le tableau 5. Du fait du retard plus élevé, le contraste est moins bon, 15 mais il garde une valeur correcte( > 200) car on peut configurer la cellule pour que 4T soit égal à 4) optimum. Cas où le paramètre 4* est imposé La direction de brossage des cellules 4) * peut être imposée par exemple par le procédé industriel. La valeur effective de 4T vaut dans ce cas (cf figure 11) : Y'T = îC + O * +DE Le pouvoir rotatoire est calculé pour la valeur de 4T correspondante, puis comme précédemment la valeur de A en fonction de P découlant de la formule [5] est injectée dans la formule [1] pour 4)u = 4) * - DE, et l'on recherche les valeurs de P qui maximisent la transmission. Les résultats pour les valeurs de retard 193 nm et 275 nm sont donnés dans les tableaux 6 et 7 pour le cas 4)* imposé égal à 0 . L'effet du décrochage élastique diminue la valeur de la 30 torsion de forte valeur (1:^T, ce qui rapproche 4)T de la valeur 4)opt (-168,5 pour le cas 193 nm et -156 pour 275 nm). Le contraste s'améliore donc lorsque le décrochage augmente. Pour 193 nm et DE=10 , on est presque à 4opt, la valeur de contraste obtenue, 896, est donc très proche de la valeur obtenue avec 1opt (916). VARIANTES DE L'INVENTION Les configurations calculées pour le mode transmissif sont applicables aux modes transflectif ou réflectif. Les angles calculés sont identiques, seule la nature du polariseur 40 côté source P diffère selon le mode. Ces modes privilégient le noir, et donc possèdent un blanc non optimisé en terme de brillance. Pour modifier légèrement la colorimétrie du blanc, les positions des polariseurs 40 et 10 peuvent être ajustées au voisinage de leur position calculée, à condition de respecter la relation qui les lie entre eux (donnée par le pouvoir rotatoire) qui garantit le meilleur noir. Le pouvoir rotatoire PR est fonction de la torsion 1 (proche de t) et du retard de la cellule. Les angles entre P et A qui dépendent de la valeur de PR sont donc en grande partie dépendants de la valeur du retard de la cellule. () u T=u 7c And P A Lnoir Lblanc CR 4T=4 U-Tc 4 u 22,5 -157,5 266 -45 +67,5 0.0031 0.988 317 nm 45 -22,5 Table 1: mode optique transmissif d'une cellule [4;4-7c selon l'état de la technique (document [4] US 2003/0076455) And 4u 4T= 4U- Tt P A Lnoir Lblanc CR opt 4T=4u-1t 4)u 220 15 -165 -45 60 0.0015 0.90 623 nm 45 -30 193 11,5 -168,5 -45 56,5 0.00087 0.8 916 nm 450 -33,5 Table 2: exemple de solutions permettant une amélioration de l'état noir And 4u 4- T=4u-7t P A Lnoir Lblanc CR imposé 4)T-7 4u 275 0 -180 -54 55. 0.028 0.987 35 nm 36 -35 193 0 -180 -50 50 0.0044 0.787 178 nm 40 -40 Table 3: exemples de solutions optimisant l'état noir avec une torsion imposée à -ir DE 4u P A Lnoir Lblanc CR 4T 4u 6,5 1,5 -50 52,5 0,00087 0,80 918 400 -38,5 10 1,5 -3,5 -52 49,5 0,00086 0,79 919 38 -40,5 Tableau 4: exemple de solutions pour différentes valeurs de décrochage élastique pour (And = 193nm; 4 pt=-168,5 ; k=550 nm) DE 4u P A Lnoir Lblanc CR 4T 4u 5 19 14 -51 63 0,0035 0,984 282 40 -25 10 14 9 -52 62 0,0034 0,986 285 38 -28 Tableau 5: exemple de solutions pour différentes valeurs de décrochage élastique pour (And = 275nm; 4 pt=-156 ; ?=550 nm) DE (1)* 1)u P A Lnoir Lblanc CR 4T 4u 5 0 -5 -52 48,5 0,0020 0,789 399 38 -41,5 10 0 -10 -55,5 45,5 0,0009 0,781 896 34,5 -44,5 Tableau 6: exemple de solutions pour différentes valeurs de 5 décrochage élastique pour (And = 193nm; a.=550 nm) avec * imposé à 0 . DE (hi P A Lnoir Lblanc CR 4T 5 0 -5 -56,5 53,5 0,019 0,99 51 33,5 -36,5 10 0 -10 -60,5 50,5 0,011 0,99 87 29,5 -39,5 Tableau 7: exemple de solutions pour différentes valeurs de décrochage élastique pour (And = 275nm; X=550 nm) avec (1)* imposé à 0 . Les valeurs données dans les tableaux ci-dessus correspondent à une texture levogyre. L'invention est bien entendu valable lorsque le cristal liquide est dextrogyre. Une telle texture dextrogyre inverse les signes respectifs de 4u et (I)T, et du pouvoir rotatoire PR. Dans ce cas, les configurations équivalentes s'obtiennent en inversant les signes de 4U et (I)T et de PR. Les orientations optimales des polariseur 40 et analyseur 10 sont obtenues en 2863062 25 inversant les signes des P et des A. A titre d'exemple, on donne ci-dessous, respectivement dans les tableaux 8 9 et 10, les valeurs dextrogyres correspondants au tableaux 5 6 et 7 ci-dessus du cas levogyre: DE u P A Lnoir Lblanc CR 4T U 5 -19 -14 51 -63 0,0035 0,984 282 -40 26 10 -14 -9 52 -62 0,0034 0,986 285 -38 28 Tableau 8: exemple de solutions pour différentes valeurs de décrochage élastique pour (And = 275nm; Pt=156 ; X=550 nm) cas d'un cristal liquide dextrogyre DE 4u P A Lnoir Lblanc CR 4T 1U 5 0 5 52 -48,5 0,0020 0,789 399 -38 41,5 10 0 10 55,5 -45,5 0,0009 0,781 896 -34,5 44,5 Tableau 9: exemple de solutions pour différentes valeurs de décrochage élastique pour (And = 193nm; X=550 nm) avec e* 10 imposé à 0 cas d'un cristal liquide dextrogyre. DE u P A Lnoir Lblanc CR 4T 5 0 5 56,5 -53,5 0,019 0,99 51 -33,5 36,5 10 0 10 60,5 -50,5 0,011 0,99 87 -29,5 39,5 2863062 26 Tableau 10: exemple de solutions pour différentes valeurs de décrochage élastique pour (And = 275nm; X=550 nm) avec 1* imposé à 0 - cas d'un cristal liquide dextrogyre REFERENCES Doc [1]: brevet FR-A-2 740 894 Doc [2]: "Fast bistable nematic display using monostable surface anchoring witching" Proceeding SID 1997, p41-44 Doc [3] : "recents improvements of bistable nematic displays switched by anchoring breaking" SPIE vol.3015 (1997), p61-69 10 Doc [4]: brevet US 2003/0076455 Doc [5]: "Dynamic flow, broken surface anchoring, and switching bistability in three-terminal twisted nematic liquid crystal displays" Journal of Applied Physics, vol 90, n 6, p 3121-3123 (2001) Doc [6]: "Three terminal bistable twisted nematic liquid crystal displays", Applied Physics letters",vol77,n 23, p 3716-3718, December 2000 Doc [7]: H.L. 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Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le retard optique And est de l'ordre de 240 +/- 80 nm. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que l'orientation du polariseur placé à l'opposé de l'observateur, par rapport au directeur nématique sur la face associée de la cellule, est comprise dans la gamme comprenant la plage +/-(20 à 70 ) tandis que l'orientation du polariseur placé du côté de l'observateur, par rapport à la même référence de directeur nématique, est comprise dans la gamme comprenant la plage de +/- (20 à 700). 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que pour un cristal liquide levogyre, l'orientation du polariseur placé à l'opposé de l'observateur est comprise dans la gamme comprenant les plages -70 à -40 et 20 à 55 tandis que l'orientation du polariseur placé côté observateur est comprise dans la gamme comprenant les plages 55 à -20 et 35 à 70 , et pour un cristal liquide dextrogyre, l'orientation du polariseur placé à l'opposé de l'observateur est comprise dans la gamme comprenant les plages - 55 à - 20 et 40 à 70 tandis que 2863062 28 l'orientation du polariseur placé côté observateur est comprise dans la gamme comprenant les plages 70 à -35 et 20 à 55 . 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que l'angle de torsion des molécules dans l'un des deux états stables est compris entre 0 et 15 . 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que l'angle de torsion des molécules dans l'un des deux états stables est compris entre 0 et 15 , le retard optique And = 200 +/- 40 nm et pour un cristal liquide levogyre, l'orientation du polariseur opposé à l'observateur est comprise dans la gamme [-60 ;-40 ] U [30 ; 50 ], tandis que l'orientation du polariseur côté observateur est comprise dans la gamme [-50 ;-25 ] U [40 ; 70 ]. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que l'angle de torsion des molécules dans l'un des deux états stables est compris entre 0 et 15 , le retard optique And = 200 +/- 40 nm et pour un cristal liquide dextrogyre, l'orientation du polariseur opposé à l'observateur est comprise dans la gamme [-50 ;-30 ] U [40 ; 60 ], tandis que l'orientation du polariseur côté observateur est comprise dans la gamme [-70 ;-40 ] U [25 50 ]. 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que l'angle de torsion des molécules dans l'un des deux états stables est compris entre 0 et 15 , le retard optique And = 280 +/- 40 nm et pour un cristal liquide levogyre, l'orientation du polariseur opposé à l'observateur est comprise dans la gamme [-65 ;-45 ] U [25 ; 50 ], tandis que l'orientation du polariseur côté observateur est comprise dans la gamme [-50 ;-20 ] U [40 ;700]. 2863062 29 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que l'angle de torsion des molécules dans l'un des deux états stables est compris entre 0 et 15 , le retard optique And = 280 +/- 40 nm et pour un cristal liquide dextrogyre, l'orientation du polariseur opposé à l'observateur est comprise dans la gamme [-50 ;-25 ] U [45 ; 65 ], tandis que l'orientation du polariseur côté observateur est comprise dans la gamme [-70;-40 ] U [20 500]. 10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que l'angle que font les directions de brossage entre elles est compris entre 10 et 15 , le retard optique And = 200 +/- 40 nm et pour un cristal liquide levogyre l'orientation du polariseur opposé à l'observateur est comprise dans la gamme [-55 ;-35 ] U [35 ; 55 ] préférentiellement [- 40 ;-50 ] U [40 ; 50 ], tandis que l'orientation du polariseur côté observateur est comprise dans la gamme [-45 ;-25 ] U [45 ; 70 ] préférentiellement [-45 ; -25 ] U [50 ; 65 ]. 11: Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que l'angle que font les directions de brossage entre elles est compris entre 10 et 15 , le retard optique And = 200 +/- 40 nm et pour un cristal liquide dextrogyre, l'orientation du polariseur opposé à l'observateur est comprise dans la gamme [-35 ;-55 ] U [35 ; 55 ] préférentiellement [-40 ;-50 ] U [40 ; 50 ], tandis que l'orientation du polariseur côté observateur est comprise dans la gamme [-70 ;-45 ] U [25 ; 45 ] préférentiellement [-65 ; -50 ] U [25 ; 45 ]. 12. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que l'angle que font les directions de brossage entre elles est compris entre 0 et 10 , le retard optique And = 200 +/- 40 nm et pour un cristal liquide levogyre, 2863062 30 l'orientation du polariseur opposé à l'observateur est comprise dans la gamme [-65 ;-40 ] U [25 ; 50 ] préférentiellement [-60 ;-45 ] U [30 ; 45 ], tandis que l'orientation du polariseur côté observateur est comprise dans la gamme [-55 ;-25 ] U [35 5; 65 ] préférentiellement [-50 ; -30 ] U [40 ; 60 ]. 13. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que l'angle que font les directions de brossage entre elles est compris entre 0 et 10 , le retard optique And = 200 +/- 40 nm et pour un cristal liquide dextrogyre, l'orientation du polariseur opposé à l'observateur est comprise dans la gamme [-50 ;-25 ] U [40 ; 65 ] préférentiellement [-45 ;-30 ] U [45 ; 60 ], tandis que l'orientation du polariseur côté observateur est comprise dans la gamme [-65 ;-35 ] U [25 ; 55 ] préférentiellement [-60 ; -40 ] U [30 ; 50 ]. 14. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que l'angle que font les directions de brossage entre elles est compris entre 0 et 5 , le retard optique And = 280 +/- 40 nm et pour un cristal liquide levogyre, l'orientation du polariseur opposé à l'observateur est comprise dans la gamme [-70 ;-45 ] U [20 ; 45 ] préférentiellement [-65 ;-50 ] U [25 ; 40 ], tandis que l'orientation du polariseur côté observateur est comprise dans la gamme [-50 ;-25 ] U [40 ; 65 ] préférentiellement [-45 ; -30 ] U [45 ; 60 ]. 15. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que l'angle que font les directions de brossage entre elles est compris entre 0 et 5 , le retard optique And = 280 +/- 40 nm et pour un cristal liquide dextrogyre, l'orientation du polariseur opposé à l'observateur est comprise dans la gamme [-45 ;-20 ] U [45 ; 70 ] préférentiellement [- 40 ;-25 ] U [50 ; 65 ], tandis que l'orientation du polariseur côté observateur est comprise dans la gamme [-65 ;-40 ] U [25 ; 50 ] préférentiellement [-60 ; -45 ] U [30 ; 45 ]. 16. Procédé d'optimisation de l'orientation de deux polariseurs (10, 40) dans un dispositif d'affichage à cristal liquide nématique présentant deux états stables par cassure d'ancrage, caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes consistant à calculer le pouvoir rotatoire de la cellule et à positionner les deux polariseurs (10, 40), l'un (10) placé côté observateur, l'autre (40) sur la face opposée de la cellule à cristal liquide, selon une orientation décalée d'une valeur égale au pouvoir rotatoire de la cellule +/- ir /2, le pouvoir rotatoire correspondant à l'effet de la texture la plus tordue. 17. Procédé selon la revendication 16, caractérisé par le fait que le pouvoir rotatoire PR est calculé sur la base de la relation: PR arctg XtgX [3] avec X(q,2)=1102 + r;MMnd 1. 2, 18. Procédé selon l'une des revendications 16 ou 17, caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes consistant à: - calculer le pouvoir rotatoire PR à l'aide d'une formule exploitant le retard optique and, la torsion et la longueur d'onde 7^, fixer l'orientation A du polariseur de sortie (10) égale à P+PR+/-7t /2, P représentant l'orientation du polariseur (40) côté opposé à l'observateur et PR le pouvoir rotatoire, - rechercher les valeurs de P qui donnent la plus forte valeur de transmission résultante pour une torsion égale à 4 +/- Tc en cas d'ancrage azimuthal infini ou une torsion égale à +/- 'Tc -2.DE tenant compte du décrochage élastique et - en déduire A. 19. Procédé selon l'une des revendications 16 à 18, caractérisé par le fait que la valeur de la transmission est définie par la relation: Tas(, Â) = cos2 (a + f3) cos2 X cos 2a cos 2,6[ X tan X tan 2a]l tan X + tan 2,8 20. Procédé selon l'une des revendications 16 à 19, caractérisé par le fait que le pouvoir rotatoire PR est calculé sur la base d'une valeur de torsion optimal 4opt déterminé sur la base de la relation: 21. Procédé selon l'une des revendications 16 à 20, caractérisé par le fait que le pouvoir rotatoire PR est calculé sur la base d'une valeur de torsion imposée par l'ancrage azimuthal. 22. Procédé selon l'une des revendications 16 à 21, caractérisé par le fait qu'il comprend une étape d'adaptation des angles des polariseurs pour améliorer la neutralité colorimétrique du blanc obtenu. 23. Procédé selon l'une des revendications 16 à 22, caractérisé par le fait que le pouvoir rotatoire PR est calculé sur la base d'une valeur de torsion qui intègre un décrochage (DE) résultant d'un ancrage azimuthal fini. \2 And o