Brevet FR2879762A1 — publié le 20060623

Matériau à base de cristal liquide destiné à la réalisation d'un dispositif d'obturation électro-optique et dispositif incluant un tel matériau. 1. Domaine de l'invention L'invention concerne le domaine de la conception et de la réalisation des obturateurs optiques mettant en oeuvre des matériaux à base de cristaux liquides. L'invention trouve tout particulièrement, mais non exclusivement, son application pour la réalisation de casques utilisés pour pratiquer les opérations de soudure à l'arc. Les procédés de soudure à l'arc impliquent l'émission d'une lumière d'intensité très élevée nocive pour l'homme dont il convient de se protéger par des moyens adéquats. Il est donc connu d'utiliser des casques dont la partie recouvrant le visage est constituée d'un matériau translucide fortement teinté. Cette partie de casque doit être rabattue sur le visage à chaque opération de soudure. Par contre, elle doit être relevée en dehors des opérations de soudure car elle ne laisse alors pas suffisamment passer la lumière pour permettre à l'utilisation de voir correctement. 2. Art Antérieur Il a donc été proposé dans l'état de la technique de pourvoir ces casques d'obturateur à base de cristaux liquides équipant la partie de casque rabattable sur le visage. Notamment WO0122906 décrit des dispositifs de protection pour soudure incluant du cristal liquide standard (nématiques). De tels cristaux liquides constituent des matériaux dont on peut modifier les propriétés optiques et notamment la bi-réfringence en leur appliquant un champ électrique. En insérant de tels cristaux liquides dans une cellule, entre des polariseurs et/ou des analyseurs croisés, on obtient des obturateurs pouvant être commandés par une tension. De tels obturateurs optiques à base de cristal liquide peuvent observer aux moins deux états, à savoir un état dit passant, selon lequel ils laissent passer la lumière et un état obturé, selon lequel il ne laisse pas passer la lumière ou selon lequel ils ne laissent passer qu'une faible partie de celle-ci. Afin de remplir correctement leur fonction, le matériau à base de cristal liquide qu'ils contiennent doit présenter un certain nombre de caractéristiques. En premier lieu, ce matériau doit présenter une bonne extinction dans le domaine visible considéré. Par exemple, pour la réalisation de casques à soudure, cette extinction devra être égale ou supérieure à 30 dB, dans la bande visible considérée, à savoir 550 à 750 nm. Par contre, dans l'état passant il ne devra pas provoquer une extinction trop importante. Toujours dans l'exemple de la réalisation des casques à soudure, cette extinction à l'état passant ne doit pas être supérieure à 3 dB maximum d2 ns la bande visible considérée. Un tel matériau doit de plus, pour de nombreuses application, pouvoir être prévu sur une surface, couramment appelée pupille optique , relativement grande. Dans l'exemple de la réalisation des casques pour la soudure à l'arc, cette pupille optique devra au moins être égale à 1cm2 dans le cas d'une pupille carrée, ou avoir un diamètre d'au moins 1,5 cm dans le cas d'une pupille circulaire. On notera également que de tels matériaux doivent avantageusement présenter des temps de commutation à l'obturation rapide et de préférence inférieure à la milliseconde. À ce sujet, on notera qu'en ce qui concerne la réalisation de casques pour la soudure à l'arc, une fréquence d'obturation de quelques kilohertz permettra de faciliter l'asservissement d'un dispositif de déclanchement de l'arc de soudure, et ainsi de garantir de meilleures conditions de sécurité pour l'opérateur (absence d'hystérésis, temps de montée et de descente raide, etc.). On notera aussi que les obturateurs optiques à base de cristaux liquides ne devront généralement pas nécessiter de tension de commande élevée ni une consommation électrique importante. Ainsi pour l'équipement des casques de soudure à l'arc, la tension de commande devra être de l'ordre de quelques dizaines de volts (typiquement, 10 à 20 volts). De tels obturateurs optiques devront aussi présenter une bonne résistance aux chocs, puisqu'ils seront utilisés dans des conditions relativement difficiles et pour cette même raison présenter une gamme de fonctionnement sur des gammes de températures relativement larges. Par exemple dans le cas de la réalisation de casques à soudure, l'obturateur optique devra au moins fonctionner dans une gamme de températures comprises entre 0 et 30 C. Il existe dans l'état de la technique différents dispositifs d'obturateurs optiques. Outre les obturateurs purement mécaniques, qui permettent des obturations totales mais sont lents, coûteux et souvent encombrants, on connaît des obturateurs utilisant l'effet électro-optique ou magnéto-optique, la plupart utilisant l'effet électrooptique comme les cristaux liquides qui sont les moins coûteux. La qualité du contraste est liée aux caractéristiques du cristal liquide et aux polariseurs. Ainsi on connaît des obturateurs optiques à base de cristaux liquides nématiques et d'autres obturateurs à base de cristaux liquides smectiques. On connaît aussi des obturateurs à base de PDLC ( Polymer dispersed liquid crystal ) smectique ou nématique. De tels PDLC sont constitués par l'association d'au moins un cristal liquide (nématique ou smectique) et de polymère(s). Ils constituent également des matériaux électro-optiques dont on peut modifier les propriétés optiques et notamment la valeur de leur indice de réfraction en leur appliquant un champ électrique. L'effet utilisé est alors un effet de diffusion (atténuation sélective par diffusion plus ou moins importante). Il n'est donc pas nécessaire de disposer dans ce cas de polariseurs et/ou d'analyseurs. Toutefois, les obturateurs optiques à base de cristaux liquides connus dans l'état de la technique présentent un certain nombre d'inconvénient diminuant leur intérêt pour certaines applications telles que notamment, la réalisation de: casques de soudure à l'arc. Les cristaux liquides nématiques et les PDLC à base de cristaux liquides nématiques présentent l'inconvénient d'impliquer des temps de réponse médiocres de l'ordre de quelques dizaines de millisecondes. Le passage de l'état passant à l'état obturé est donc trop lent pour certains applications. Dans le cadre de la soudure à l'arc, l'arc, c'est- à-dire la source lumineuse, apparaît instantanément et non progressivement. La faible vitesse du passage à l'état obturé ne peut donc empêcher le passage, pendant un court instant, d'une lumière d'intensité trop forte, ce qui peut s'avérer gênant ou même dangereux à long terme pour un utilisateur. Les PDLC à base de cristaux liquides nématiques n'autorisent de plus pas de contraste suffisant entre l'état passant et l'état obturé avec de faibles épaisseurs et par conséquent des tensions de commande raisonnables. Les cristaux liquides smectiques (ferroélectriques FLC) sont plus rapides que les nématiques mais présentent des défauts spécifiques sur des grandes pupilles et sont plus fragiles. Ils ne peuvent en outre être utilisés que sous des épaisseurs faibles. Leur réalisation sous forme de PDLC est difficile à obtenir et peu stable. Une façon de prévenir la formation de défauts consiste à utiliser la stabilisation par un polymère (PSLC) sans hypothéquer les temps de réponse rapides des smectiques (PSFLC). La question se réduit alors à l'optimisation du mélange (choix des constituants et de la concentration) en fonction de l'application considérée. C'est ce dans ce cadre que s'inscrit la présente invention. 3. Objectifs de la présente invention Un des objectifs de la présente invention est de proposer un nouveau type de matériau à base de cristal liquide permettant la réalisation d'obturateurs optiques ne présentant pas les inconvénients cités ci-dessus de l'état de la technique. Notamment un objectif de la présente invention est de proposer un tel matériau autorisant des temps de commutation faibles inférieurs à la milli seconde, en pratique quelques centaines de microsecondes), et donc des vitesses de commutation importante. Un autre objectif de la présente invention est de décrire un tel matériau autorisant un contraste élevé, c'est-à-dire supérieur ou égal à 30 dB. Encore un objectif de la présente invention est de divulguer un tel matériau qui puisse permettre la réalisation de dispositifs d'obturation optique à pupille optique large, à savoir supérieur à 1cm2 ou de diamètre supérieur à 1,5 cm, et homogène. Egalement un objectif de l'invention est de décrire un tel matériau qui permette la réalisation de dispositifs d'obturation optique incluant un tel matériau essentiellement exempt de défauts. L'objectif de la présente invention est de aussi de proposer un tel matériau qui permette la réalisation de dispositifs d'obturation optique qui présentent une robustesse élevée et qui soient susceptibles de pouvoir être utilisés dans des gammes de température larges. 4. Caractéristiques essentielles die l'invention Ces différents objectifs sont atteints grâce à l'invention qui concerne un matériau destiné à la réalisation d'un dispositif d'obturation optique caractérisé en ce qu'il est constitué par l'association: d'au moins un cristal liquide smectique ferroélectrique chiral à base de pyrimidines et/ou de thiadiazoles substituées avec un ou plusieurs groupements choisi parmi les groupements alkyle, alkyloxy, phényle et oxirane; et d'un polymère résultant de la polymérisation du monomère 1,4-bis[4-(3-acryl oyloxypropyloxy)-benzoyloxy]-2-méthyl-benzène. Un tel matériau est réalisé à partir de composés connus en tant que tels mais dont la combinaison n'avait jamais été proposé dans l'état de la technique, notamment pour la réalisation de dispositifs d'obturation électro-optiques. Le matériau selon la présente invention appartient à la famille des PSFLC ( polymer stabilized ferroelectric liquid crystal ). Les PSFLC ( polymer stabilized liquid crystal ) sont, comme les PDLC, constitués par l'association de cristal liquide et de polymère mais diffèrent de ceux-ci par le fait que le polymère n'y est pas encapsulé sous forme de gouttelettes. Dans les PSFLC, cristal liquide et polymère forment un gel dans lequel la phase cristal liquide est interconnectée. Par ailleurs, dans les PSFLC, la teneur en polymère est inférieure à 15 % en masse tandis que dans les PDLC, la teneur en polymère est supérieure à 15 % en masse. Un exemple cristal de liquide utilisable dans le cadre de l'invention est commercialement disponible auprès de la société Avantis- Sanofi France, précédemment Hoechst, sous la dénomination commerciale Felix 015/100. Le second de ces composés est un polymère obtenu par la polymérisation d'un monomère commercialement disponible auprès de la société Merck, France sous la dénomination commerciale RM257. Sa polymérisation est effectuée par insolation sous UV, en présence d'un photoamorceur (Irgacure 651 de la société Ciba). Le matériau selon la présente invention présente l'avantage de permettre la réalisation d'obturateurs optiques avec des temps faibles de commutation et donc des vitesses très élevées de passage de l'état passant à l'état obturé. Il présente aussi l'avantage de permettre la réalisation de tels obturateurs dont la couche de matériau est exempte de défauts, tout en pouvant être utilisée pour former des pupilles optiques de grandes dimensions. Enfin, il permet la réalisation d'obturateurs optiques robustes et pouvant être utilisés sur des gammes de températures larges. Préférentiellement, le matériau selon la présente invention comprend de 5% en masse à 10% en masse de polymère, et de façon préférée entre toutes, 5% en masse de polymère. Ces fourchettes pondérales de teneur en monomère permettent d'obtenir un matériau aux propriétés optimisés. Notamment ces fourchettes assurent l'obtention d'un matériau exempt de défauts et robuste. L'invention couvre également tout dispositif d'obturation électro- optique incluant une cellule comprenant deux lames,, de verre ou d'un matériau équivalent optiquement transparent, tel qu'un matériau plastique et d' au moins une couche de matériau décrit ci-dessus disposé entre lesdites lames. Les lames peuvent être revêtues d'un dépôt de matériau adéquat formant électrodes transparentes tel que par exemple de l'oxyde d'indium et d'étain (ITO). Préférentiellement, pour de nombreuses applications, lesdites lames sont équipées de films spectraux limitant avantageusement la bande spectrale entre 550 nm et 750 nm. De tels films peuvent être rigides. L'épaisseur du matériau entre les lames variera en fonction de l'application dévolue à l'obturateur en question. Préférentiellement, cette épaisseur sera comprise entre 2 m et 3 uni pour la bande spectrale comprise entre 550 et 750 nm. Selon une variante, lesdites lames sont également pourvues d'un film polarisant, souple ou rigide. Pour la réalisation des casques de soudure à l'arc, cette épaisseur sera d'environ 2 m. Avantageusement, lesdites lames de verre présentent une surface utile minimale de 1cm2. Egalement avantageusement, le dispositif d'obturation optique selon l'invention est caractérisé en ce qu'il autorise des temps de commutation compris 20 entre 380 s et 70 s pour des champs de 5 V/ m à 10 V/ m. Selon une variante, le dispositif pourra également inclure des polariseurs. La présente invention concerne également tout casque pour ',a soudure, notamment la soudure à l'arc, caractérisé en ce qu'il est équipé d'un tel dispositif d'obturation. 5. Liste des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante de deux modes de réalisation préférentiels, donnés à titre de simples exemples illustratifs et non limitatifs, et des dessins annexés, parmi lesquels: la figure 1 présente une vue schématique symbolisant le principe de fonctionnement d'un obturateur electro-optique; la figure 2 représente un graphe sur lequel sont portés les contrastes obtenus avec des matériaux selon la présente invention intégrés dans un dispositif d'obturation électro-optique du type de celui représenté à la figure 1 en fonction des champs électriques appliqué à celui-ci; la figure 3 représente une photographie de la cellule d'un obturateur selon la figure 1 sous tension obtenue avec un premier mode de réalisation du matériau selon la présente invention, dans lequel la concentration en masse en polymère est de 10% ; la figure 4 représente une photographie de la cellule d'un obturateur selon la figure 1 sous tension obtenue avec un second mode de réalisation du matériau selon la présente invention, dans lequel la concentration en polymère est de 5%. 6. Description d'un mode de réalisation de l'invention En référence à la figure 1, un dispositif électro-optique d'obturation comprend une cellule 1 incluant deux lames de verre revêtues d'un film polarisant coupant les longueurs d'ondes inférieures à 550 nm et supérieures à 750 nm el d'un film polarisants (en matériau dichroïque). Lesdites lames de verre définissent un espace accueillant une couche de matériau à base de cristal liquide selon la présente invention. Selon le présent mode de réalisation, la couche de matériau entre les lames de cette cellule est de 2 m. Conformément à l'invention, ce matériau est constitué par un mélange de cristaux liquides commercialisé sous la dénomination commerciale Felix 015/100 disponible auprès de la société Aventis-Sanofi France, précédemment Hoechst, et du polymère obtenu par la polymérisation du monomère commercialisé sous la dénomination commerciale RM257 disponible auprès de la société MERCK France. Cette cellule 1 coopère avec deux polariseurs symbolisés par les flèches 2 et 3. Cette cellule est optimisée en épaisseur et biréfringence pour avoir un contraste maximum supérieur à 30 dB dans le rouge (à 630 nm) . Deux matériaux selon la présente invention ont été réalisés, l'un contenant 5% en poids de polymère et 95% en poids de cristal liquide, et l'autre comprenant 10% en poids de polymère et 90% en poids de cristal liquide. Les contrastes de ces matériaux ont été mesurés à différentes valeurs de champ électrique. Les résultats de ces tests sont indiqués en figure 2. La figure 3 montre le contraste obtenu sous tension avec le matériau contenant 10 % de monomère et la figure 4 montre le contraste obtenu sous tension avec le matériau contenant 5% de monomère. Ces mesures de contraste ont été réalisées à 630 nm. Ces mesures de contraste montrent clairement que des concentrations de polymère comprises entre 5 et 10 % génèrent des contrastes supérieurs ou égaux à 1 /1000 (soit 30 dB) . Ces matériaux présentent par ailleurs des temps de commutation très faibles, à savoir, en ce qui concerne le matériau contenant 10% de monomère: un temps de commutation de 75 ts pour un champ de 10 V/ m, et un temps de commutation de 285 s pour un champ de 5 V/ m; - en ce qui concerne le matériau contenant 5% de monomère: un temps de commutation de 70 s pour un champ de 10 V/ m, et un temps de commutation de 380 s pour un champ de 5 V/ m. Enfin, on notera que ces matériaux présentent une forte homogénéité comme on peut le voir sur les figures 3 et 4, tout particulièrement le matériau présentant 5% de polymère, qui montre une absence totale de défaut pour des pupilles optiques d'un centimètre carré, comme on peut le voir sur la figure 4. REVENDICATIONS 1. Matériau destiné à la réalisation d'un dispositif d'obturation électrooptique caractérisé en ce qu'il est constitué par l'association: d'au moins un cristal liquide smectiique ferroélectrique chiral à base de pyrimidines et/ou de thiadiazoles substituées avec un ou plusieurs groupements choisi parmi les groupements alkyle, alkyloxy, phényle et oxirane; et, d'un polymère résultant de la polymérisation du monomère 1,4bis[4-(3-acryloyloxypropyloxy)-benzoyloxy]-2-méthyl-benzène. 2. Matériau selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend de 5% à 10% en masse dudit polymère. 3. Matériau selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'il comprend 5 % en masse dudit polymère. 4. Dispositif d'obturation électro-optique incluant une cellule comprenant deux lames de matériau optiquement transparent et au moins une couche de matériau selon l'une des revendications 1 à 3 prévue entre lesdites lames. 5. Dispositif d'obturation électro-optique selon la revendication 4 caractérisé en ce que l'épaisseur de ladite couche de matériau prévue entre les deux lames est comprise entre 2 m et 3 m. 6. Dispositif d'obturation électro-optique selon l'une des revendications 3 à 5 caractérisé en ce que lesdites lames sont pourvues d'un film spectral. 7. Dispositif d'obturation électro-optique selon la revendication 6 caractérisé en ce que lesdites lames sont pourvues d'un film spectral rigide. 8. Dispositif d'obturation éléctro-optique selon la revendication 6 ou 7 caractérisé en ce que ledit film spectral limite la bande spectrale entre 550 nm et 750 nm. 9. Disopositif d'obturation électro-optique selon l'une quelconque des revendications 4 à 8 caractérisé en ce que lesdites lames sont pourvues d'un film polarisant. 10. Dispositif d'obturation électro-optique selon l'une des revendications 4 à 9 caractérisé en ce que lesdites lames sont pourvues de films formant électrodes transparentes. 11. Dispositif d'obturation électro-optique selon l'une des revendications 4 à 10 caractérisé en ce que lesdites lames présentent une surface utile minimale de 1cm2. 12. Dispositif d'obturation électro-optique selon l'une des revendications 4 à 11 caractérisé en ce qu'il autorise des temps de commutation compris entre 380 s et 70 s pour des champs de 5 \'/ m à 10 V/ m. 13. Casque pour la soudure à l'arc caractérisé en ce qu'il est équipé d'au moins un dispositif électro-optique selon l'une quelconque des revendications 4à 12.