Brevet FR3028260A1 — publié le 20160513

Le domaine technique de l'invention est celui des cellules réfléchissantes mettant en oeuvre les cristaux liquides cholestériques. De telles cellules sont connues par exemple par le brevet W02012/051127. Les cristaux liquides cholestériques ont la particularité de réfléchir la lumière incidente sur une partie du spectre visible qui est déterminée par le type de matériau dopant chiral associé au cristal liquide. L'autre partie du spectre est transmise. Lorsque ces cristaux sont soumis à un champ électrique d'un certain niveau, ils changent d'état et deviennent alors totalement transparents. Du fait de leur transparence, les cellules à cristaux liquides cholestériques peuvent ainsi être empilées les unes sur les autres pour constituer des cellules polychromes permettant de réfléchir une couleur qui est une combinaison d'au moins deux couleurs élémentaires. Une telle structure est décrite par le brevet W098/43129 qui envisage 20 infrarouge. Il est ainsi un fonctionnement dans le domaine connu de réaliser des écrans couleurs aussi cholestériques comprenant l'assemblage de pixels élémentaires qui comportent chacun un empilement de trois cellules cholestériques correspondant chacune à une couleur primaire 25 (Rouge, Vert ou Bleu). Chaque cellule de chaque pixel élémentaire est commandable électroniquement de façon individuelle pour piloter la réflexion ou la transparence de ladite cellule. Les pixels sont fixés sur un fond noir absorbant qui permet d'éviter le renvoi de la lumière qui 30 n'aura pas été filtrée par une cellule du pixel. D'une façon classique la commande ou l'adressage des cellules de chaque pixel est réalisée par matrice active, par matrice passive ou par adressage direct alpha numérique. Un des inconvénients des cellules à cristaux liquides cholestériques est que, pour les cristaux liquides conventionnels, seul 50% de la lumière de l'environnement est réfléchie. Ceci est le cas pour les cristaux liquides cholestériques mettant en oeuvre un matériau homogène et ayant une hélicité (droite ou gauche) donnée. Une telle propriété résulte en effet de l'hélicité du matériau qui ne réfléchit que la lumière qui est polarisée dans le même sens que l'hélicité, 10 ce qui limite la proportion réfléchie à 50% de la lumière naturelle reçue. Il existe des matériaux associant plusieurs types d'hélicité mais ces matériaux sont plus complexes à mettre en oeuvre et plus coûteux. 15 C'est le but de l'invention que de proposer une cellule à cristaux liquides cholestériques qui permet de réfléchir sensiblement 100% de la lumière reçue. Cette cellule est de structure simple et de coût réduit. Un autre but de l'invention est de fournir une telle 20 cellule, réfléchissant 100% de la lumière reçue et ayant un encombrement réduit. Ainsi l'invention a pour objet une cellule réfléchissante comprenant au moins deux substrats recouverts chacun d'une électrode et disposés en regard l'un de l'autre, les 25 substrats délimitant entre eux un volume qui les sépare et qui est rempli par un matériau de type cristal liquide cholestérique, les deux électrodes étant destinées à être reliées à une source de tension, cellule caractérisée en ce qu'elle comporte au moins une lame demi-onde disposée entre 30 les deux substrats et divisant le volume en deux compartiments renfermant chacun une partie d'un même cristal liquide cholestérique. Selon un mode de réalisation, la lame demi-onde pourra être constituée par un film d'un matériau polymère. En particulier la lame demi-onde pourra être réalisée en polyéthylène (PE) ou en polyéthylène téréphtalate (PET). Selon un mode particulier de réalisation, la lame demi-onde pourra être recouverte sur chacune de ses faces par un 5 dépôt d'un matériau conducteur et optiquement transparent, les dépôts étant destinés à être reliés à la source de tension, de telle sorte qu'un champ électrique puisse être mis en place entre chaque substrat et la lame demi-onde. Le dépôt de matériau conducteur pourra être constitué par 10 un dépôt d'ITO ou de PDOT-PSS. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre de différents modes de réalisation, description faite en référence aux dessins annexés et dans lesquels : 15 - La figure 1 montre de façon schématique une cellule cholestérique selon l'art antérieur. - La figure 2 montre de façon schématique une cellule cholestérique selon un premier mode de réalisation de l'invention. 20 - La figure 3 montre de façon schématique une cellule cholestérique selon un second mode de réalisation de l'invention. La figure 1 montre une cellule cholestérique 1 selon l'art antérieur. Cette cellule comporte deux substrats 2a et 25 2b qui sont chacun recouverts sur une de leur face par une électrode 3a ou 3b. Les substrats pourront être des plaques de verre et chaque électrode pourra être constituée par un dépôt conducteur transparent appliqué sur la plaque de verre 30 considérée. Les dépôts conducteurs transparents 3a,3b seront par exemple constitués par des dépôts associant oxyde d'indium ( 1n203) et oxyde d' étain (Sn02) . Un tel matériau est couramment désigné sous l'acronyme anglo-saxon ITO (Indium Tin Oxyde). Les substrats 2a et 2b délimitent un volume 4 dans lequel est mis en place un cristal liquide cholestérique 8 qui est 5 donc interposé entre les deux substrats 2a et 2b. Les deux électrodes 3a et 3b sont reliées à une source de tension 5, telle un générateur électrique, qui applique une tension U entre les électrodes 3a et 3b, ce qui engendre un champ électrique E entre les deux substrats 2a et 2b, donc 10 entre les deux surfaces délimitant le cristal liquide 8. Le cristal liquide cholestérique 8 est de façon classique un matériau comportant une structure macroscopique hélicoïdale de période P en l'absence de champ électrique appliqué (on parle d'état planaire du cristal). Ce matériau 15 comporte une phase nématique associée à un dopant chiral qui permet d'ajuster le pas P de l'hélice. La longueur d'onde qui est réfléchie par le cristal liquide 8 dépend du pas P, donc du dopant chiral utilisé. Le cristal liquide cholestérique adopte dans son état de 20 repos son état planaire dans lequel il est réfléchissant de la lumière ayant la longueur d'onde associée à son pas P (X - n.P, expression dans laquelle X est la longueur d'onde réfléchie, n est l'indice moyen du matériau et P est le pas de l'hélice). 25 Lorsque la valeur du champ électrique E augmente, le cristal liquide passe de son état planaire à un état conique focale dans lequel les structures hélicoïdales sont partiellement basculées (ce qui conduit à une réflectivité plus réduite) puis à un état homéotrope dans lequel le 30 cristal liquide s'aligne avec le champ électrique E et le matériau est alors transparent. Les états planaires et conique focale sont des états stables dans lesquels le matériau reste en l'absence de champ. L'état homéotrope (transparent) est un état instable qui nécessite la présence du champ électrique. Lorsque le champ électrique est coupé, le matériau passe de l'état homéotrope à l'état planaire (coefficient de 5 réflexion maximal). On notera ETH la valeur du champ seuil permettant le passage de l'état conique focale à l'état homéotrope. De nombreux documents décrivent les structures et compositions des cristaux liquides cholestériques et il n'est 10 donc pas nécessaire de donner ici plus de détails. On pourra par exemple se reporter au texte du brevet W02012051127 qui décrit plusieurs cristaux liquides cholestériques et les dopants chirals associés pour différentes longueurs d'ondes visibles. 15 L'hélicité droite ou gauche du matériau cholestérique 8 conduit à la réflexion (dans l'état planaire) de la partie de la lumière reçue qui est polarisée dans le même sens (droit ou gauche) que l'hélicité du cristal. Cette polarisation interviendra bien entendu pour la longueur d'onde de 20 réflectivité associée au cristal liquide. Ainsi avec un cristal cholestérique classique, la réflectivité ne peut dépasser 50%, ce qui est pénalisant pour la visibilité de l'image réfléchie. La figure 2 montre un premier mode de réalisation de 25 l'invention. Suivant ce mode une lame demi-onde 6 est disposée entre les deux substrats 2a,2b et divise le volume 4 délimité par ces substrats en deux compartiments 4a et 4b renfermant chacun une partie 8a, 8b du même matériau cristal liquide 30 cholestérique (donc ayant la même hélicité pour chaque partie 8a, 8b) La lame demi-onde 6 est constituée par un film d'un matériau polymère, par exemple de polyéthylène (PE) ou de polyéthylène téréphtalate (PET). Cette lame 6 a une épaisseur de l'ordre d'une dizaine de micromètres. La présence d'une lame demi-onde 6 a pour effet de transformer une polarisation circulaire droite en 5 polarisation circulaire gauche et inversement. Ainsi, avec un cristal cholestérique à hélicité droite, la part ID à polarisation droite du rayonnement incident I va être réfléchie par la partie 8a du cristal liquide. La part IG à polarisation gauche de ce rayonnement va par 10 contre traverser la partie 8a sans être réfléchie. Elle va traverser la lame demi onde 6 et se trouver polarisée à droite à la sortie de cette lame 6. Ainsi cette part du rayonnement pourra être réfléchie par la partie 8b du cristal liquide. Elle retraversera donc après 15 réflexion la lame demi-onde 6 qui va à nouveau la polariser à gauche ce qui lui permettra de traverser la partie 8a du cristal liquide. La cellule 1 réfléchira donc également la part IG polarisée à gauche du rayonnement incident I. 20 La cellule 1 selon l'invention réfléchit donc 100% du rayonnement reçu. La présence de la lame demi-onde 6 conduit cependant à écarter les deux électrodes 3a et 3b de l'épaisseur e de la lame demi-onde 6. La tension électrique qui est nécessaire 25 pour obtenir le champ électrique ETH de changement d'état est donc supérieure. L'augmentation de tension nécessaire est proportionnelle au rapport entre l'épaisseur e de la lame demi-onde 6 et l'épaisseur totale 2E du cristal liquide. 30 Si on considère une cellule selon l'art antérieur avec un cristal liquide cholestérique d'épaisseur 28=40 micromètres, et si on réalise la cellule selon l'invention avec deux parties de cristal liquide ayant chacune une épaisseur E=20 micromètres et séparées par une lame demi-onde d'épaisseur e= 10 micromètres, la distance séparant les électrodes 3a,3b est égale à e+2c = 50 micromètres au lieu de 40 micromètres ce qui signifie une augmentation nécessaire du niveau de la tension électrique de 25%. Ceci peut être acceptable pour des afficheurs de dimensions modérées. La figure 3 montre un autre mode de réalisation de l'invention qui permet de réduire fortement la tension électrique nécessaire, donc de simplifier la réalisation de 10 l'adressage des cellules. Ce mode de réalisation diffère du précédent en ce que la lame demi-onde 6 (qui est toujours réalisée sous la forme d'un film d'un matériau polymère) est maintenant recouverte sur chacune de ses faces par un dépôt 7a et 7b d'un matériau 15 conducteur et optiquement transparent. Le matériau conducteur transparent pourra être l'ITO (oxyde d'indium / oxyde d'étain) ou bien du PDOT-PSS. Le PDOT-PSS désigne un mélange de deux polymères, le poly(3,4- éthylènedioxythiophène) (ou PEDOT) et le polystyrène 20 sulfonate de sodium (ou PSS). Les deux dépôts conducteurs 7a et 7b sont reliés tous les deux à une entrée 57 de la source de tension 5. Par ailleurs les deux électrodes 3a et 3b sont toutes deux reliées à une autre entrée 53 de la source de tension 5. 25 Ainsi la source de tension 5 applique une différence de potentiel Ua entre le dépôt conducteur 7a et l'électrode 3a et une différence de potentiel Ub entre le dépôt conducteur 7b et l'électrode 3b. Les différences de potentiel Ua et Ub sont égales puisque 30 les deux électrodes 3a et 3b sont reliées entre elles et les deux dépôts conducteurs 7a et 7b sont aussi reliés entre eux. Les épaisseurs E des parties 8a et 8b de cristaux liquides cholestériques étant par ailleurs égales, la source de tension 5 permet d'appliquer des champs électriques Ea et Eb qui sont égaux entre chaque substrat 2a,2b et la lame demi-onde 6, donc au niveau de chaque partie 8a et 8b des cristaux liquides cholestériques. Ainsi, avec ce mode de réalisation, la tension nécessaire pour obtenir le champ électrique ETH de changement d'état est égale à Va - Vb = E X ETH (E étant l'épaisseur d'une partie 8a ou 8b ou la distance entre l'électrode 3a (respectivement 3b) et le dépôt 7a (respectivement 7b)). L'épaisseur s étant la moitié de l'épaisseur initiale 28 10 du matériau 8 (figure 1), la tension nécessaire est donc la moitié de celle qui était nécessaire selon l'art antérieur. Par ailleurs la réflectivité est de 100% comme dans le mode de réalisation précédent. Ce dernier mode de réalisation est donc particulièrement 15 bien adapté aux dispositifs réflectifs de grandes dimensions ou devant consommer peu d'énergie. REVENDICATIONS1- Cellule réfléchissante (1) comprenant au moins deux substrats (2a,2b) recouverts chacun d'une électrode (3a,3b) et disposés en regard l'un de l'autre, les substrats délimitant entre eux un volume (4) qui les sépare et qui est rempli par un matériau de type cristal liquide cholestérique, les deux électrodes étant destinées à être reliées à une source de tension (5), cellule caractérisée en ce qu'elle comporte au moins une lame demi-onde (6) disposée entre les deux substrats (2a,2b) et divisant le volume (4) en deux compartiments (4a,4b) renfermant chacun une partie (8a,8b) d'un même cristal liquide cholestérique. 2- Cellule réfléchissante selon la revendication 1, 15 caractérisée en ce que la lame demi-onde (6) est constituée par un film d'un matériau polymère. 3- Cellule réfléchissante selon la revendication 2, caractérisée en ce que la lame demi-onde (6) est réalisée en polyéthylène (PE) ou en polyéthylène téréphtalate (PET). 20 3- Cellule réfléchissante selon une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la lame demi-onde (6) est recouverte sur chacune de ses faces par un dépôt (7a,7b) d'un matériau conducteur et optiquement transparent, les dépôts étant destinés à être reliés à la source de tension (5), de 25 telle sorte qu'un champ électrique puisse être mis en place entre chaque substrat (2a,2b) et la lame demi-onde (6). 4- Cellule réfléchissante selon la revendication 3, caractérisée en ce que le dépôt (7a,7b) de matériau conducteur est constitué par un dépôt d'ITO ou de PDOT-PSS.