CH621200A5

CH621200A5 -

Info

Publication number: CH621200A5
Application number: CH313578A
Authority: CH
Inventors: Eric Saurer; Fereydoun Gharadjedaghi; Claude Laesser; Rene Viennet; Yves Ruedin
Original assignee: Ebauches Sa
Priority date: 1978-03-22
Filing date: 1978-03-22
Publication date: 1981-01-15
Also published as: US4277144A; GB2020053B; JPS54143162A; DE2853639C3; FR2420802B1; DE2853639B2; DE2853639A1; GB2020053A; NL179685B; NL7902252A; FR2420802A1; NL179685C; AT380576B; ATA174679A

Description

La présente invention a pour objet une cellule d'affichage électro-optique passif comprenant deux plaques dont l'une au moins, antérieure, est transparente, entre lesquelles est emprisonnée une couche d'un mélange comprenant notamment du cristal liquide nématique.

Les cellules d'affichage à cristal liquide du type nématique tordu sont réalisées de cette façon, les deux plaques étant transparentes. Malheureusement, elles nécessitent la présence de polari-seurs.

On a proposé d'ajouter des molécules dichroïques au cristal liquide. Ce type de cellules est décrit dans la publication de G.H. Heilmeier et al, «Molecular Crystals and Liquid Crystals», 1969, vol. 8, pp. 293-304. Si le cristal liquide est à anisotropie diélectrique positive, l'alignement étant homogène planaire sur les deux plaques, l'affichage se fait en clair sur fond sombre, ce qui est peu favorable du point de vue physiologique. L'affichage en sombre sur fond clair peut être obtenu en utilisant un cristal liquide à anisotropie diélectrique négative, l'alignement étant homéotrope sur les deux plaques. Pour ce type de cristal liquide, la valeur absolue de l'anisotropie diélectrique |Ae| est sensiblement plus faible que pour les cristaux liquides à anisotropie diélectrique positive généralement utilisés. De la sorte, la tension de commande est plus élevée. On peut placer un polariseur à

l'avant de la cellule, ce qui permet d'augmenter le contraste, mais diminue la brillance du fond.

La solution décrite par Taylor et al. dans le brevet USA N° 3833287 permet de réaliser une cellule à bon contraste, grande brillance et sans polariseur. Dans ce cas, l'affichage se fait toujours en clair sur fond sombre. Cette solution est basée sur le fait qu'en ajoutant un composé optiquement actif au cristal liquide, on induit une structure hélicoïdale dont le pas p est fonction de la concentration du composé optiquement actif dans le mélange, de telle sorte que les molécules dichroïques associées au mélange absorbent toutes les composantes de la lumière.

Le but de l'invention est de fournir une cellule d'affichage électro-optique passif dans laquelle l'affichage s'effectue en sombre sur fond clair, tout en utilisant un mélange de cristal liquide à anisotropie diélectrique positive, d'un composé optiquement actif et de molécules dichroïques, tel que décrit dans le brevet USA N° 3833287.

La structure de la couche du mélange est déterminée à la fois par le type d'alignement des molécules sur les surfaces des plaques et par l'épaisseur de ladite couche. Si cette épaisseur est suffisamment grande, la structure est toujours hélicoïdale dans la masse du mélange, indépendamment du type d'alignement des surfaces.

Pour un alignement homéotrope sur les deux plaques, il existe une épaisseur critique de la couche, qui dépend du pas p de l'hélice et des constantes élastiques du mélange, épaisseur au-dessous de laquelle la structure de ladite couche est homéotrope dans toute son épaisseur. Cette valeur critique est donnée par la formule:

où:

Lc± = épaisseur critique de la couche p =pas de la structure hélicoïdale du mélange sans contrainte k22 = constante élastique pour une déformation de torsion du mélange k33 =constante élastique pour une déformation de flexion du mélange.

Cette formule est tirée d'un article de «Applied Physics Letters», vol. 25, N° 1, 1er juillet 1974, W. Greubel, pp. 5 à 7.

Ainsi, pour une cellule dont l'alignement est homéotrope sur les deux faces et dont l'épaisseur de la couche est inférieure à la valeur critique, les molécules sont alignées perpendiculairement aux plaques dans toute l'épaisseur de la cellule. Par contre, pour une cellule dont l'épaisseur de la couche est supérieure à cette valeur critique, les molécules sont bien alignées perpendiculairement aux plaques dans le voisinage de celles-ci, mais, dans la partie médiane, on voit apparaître une structure hélicoïdale.

Le principe sur lequel est basée l'invention réside dans le fait que, dans l'aire située en dehors des zones d'affichage (segments), les conditions réalisant une structure homéotrope dans toute l'épaisseur de la cellule sont réunies (alignement homéotrope sur les deux plaques et alors que ces conditions ne sont pas réalisées dans les zones d'affichage (alignement autre qu'homéotrope sur au moins une plaque et/ou

Il en résulte que, dans l'aire située en dehors des zones d'affichage, la structure étant homéotrope dans toute l'épaisseur de la couche du mélange, la lumière n'est pas absorbée. Dès lors, cette aire est transparente et, par conséquent, a la couleur du fond. Par contre, dans les zones d'affichage, la structure hélicoïdale est conservée lorsque ces zones ne sont pas soumises à l'action d'un

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champ électrique et, de ce fait, absorbe la lumière incidente, le comportement étant similaire à celui décrit par Taylor et al. dans le brevet USA N° 3833287. Lorsqu'un champ électrique est appliqué au droit des zones d'affichage, la structure hélicoïdale est rompue et les molécules du mélange s'orientent alors selon une structure homéotrope. Dans ces zones activées, la lumière n'est, par conséquent, plus absorbée, de sorte que ces zones se confondent alors avec le fond. Il en résulte que seules les zones d'affichage non activées restent foncées, demeurant visibles en sombre sur fond clair. La commande de ce type d'affichage est ainsi inversée par rapport aux cellules décrites par Taylor et al. Cela permet de réduire la consommation moyenne de la cellule d'un facteur deux environ, dans le cas où tous les digits de la cellule sont utilisés pour l'affichage.

Pour que les conditions conduisant à un alignement homéotrope dans toute l'épaisseur de la couche du mélange ne soient pas réalisées dans les zones d'affichage, on peut interrompre la couche d'alignement (homéotrope) au droit des zones d'affichage sur l'une ou sur les deux plaques de la cellule et/ou accroître l'épaisseur de la couche du mélange au droit desdites zones d'affichage, par exemple en pratiquant des creusures dans l'une des plaques, de profondeur telle que

à ces endroits.

Le dessin illustre l'état de la technique et représente, à titre d'exemple, deux formes d'exécution de l'objet de l'invention.

La fig. 1 est une coupe d'une partie d'une cellule d'affichage électro-optique connue, telle que celle décrite dans le brevet USA N° 3833287, et les fig. 2 et 3 sont des coupes, à plus grande échelle, de deux formes d'exécution de cellules d'affichage électro-optique suivant l'invention.

Il est à remarquer que, dans toutes ces figures, les épaisseurs des éléments représentés ont été exagérées afin d'accroître la clarté du dessin.

La cellule représentée à la fig. 1, de type White-Taylor, telle que décrite dans le brevet USA N° 3833287, comprend deux plaques de verre 1 et 2 maintenues à distance l'une de l'autre par un cadre 3 auquel elles sont assemblées de façon étanche, et qui ménagent ainsi une enceinte dans laquelle est emprisonné un mélange 4. La plaque 1 porte une électrode de commande 5, alors que la plaque 2 porte une électrode de commande 6. Le mélange 4 est constitué de cristal liquide nématique, d'un composé optiquement actif et de molécules dichroïques. Ce mélange a pour caractéristique d'avoir une structure hélicoïdale en l'absence d'un champ électrique (zone 7), alors que, si un tel champ lui est appliqué (zone 8), comme indiqué par le vecteur!?, le mélange prend une structure homéotrope. L'affichage apparaît donc en clair sur fond sombre, ce qui est peu favorable. Le même résultat pourrait être obtenu avec un cristal liquide cholestérique pur, mélangé à des molécules dichroïques, mais nécessiterait des tensions de commande beaucoup plus élevées.

Une telle cellule fonctionne aussi bien avec un alignement des molécules perpendiculaire que parallèle aux plaques (alignement homéotrope ou planaire). Dans le cas d'un alignement planaire sur les deux plaques, on induit une structure dite de Grandjean, l'axe de l'hélice étant perpendiculaire aux plaques, alors que, dans le cas de conditions aux limites homéotropes, on induit généralement dans la masse une structure dite à empreintes digitales (voir «The Physics of Liquid Crystals», P.G. de Gennes, Clarendon Press-Oxford 1974, p. 262). On peut encore noter que la tension de commutation est plus faible pour la structure à empreintes digitales que pour la structure de Grandjean.

Ce qui vient d'être dit s'applique à la forme d'exécution de l'invention telle que représentée à la fig. 2, mais dans les zones d'affichage (segments) de celle-ci seulement.

Cette cellule comprend deux plaques 9 et 10 dont l'une au moins, à savoir la plaque antérieure 9, est transparente, qui sont séparées par un cadre 11 auquel elles sont assemblées de façon étanche, ménageant ainsi une enceinte remplie d'un mélange 12 constitué de cristal liquide nématique à anisotropie diélectrique positive, d'un composé optiquement actif et de molécules dichroïques.

La plaque antérieure 9 porte une électrode de commande transparente 13, en Sn02 par exemple, alors que la plaque postérieure 10 porte des électrodes de commande 14, en Sn02 également. La plaque 9 est, en outre, revêtue intérieurement d'une couche 15 de SÌO2 jouant à la fois le rôle de couche de blocage de la composante continue du signal de commande et de couche d'alignement sensiblement planaire, l'angle d'inclinaison des molécules étant inférieur à 45°. Cette couche 15 de SÌO2 est elle-même revêtue d'une couche d'alignement homéotrope 16, de AI2O3 par exemple. Cette dernière est interrompue au droit des zones d'affichage, c'est-à-dire en regard des électrodes 14 de la plaque 10. Celle-ci est revêtue intérieurement d'une couche diffusante 17, laquelle est elle-même recouverte d'une couche d'alignement homéotrope 18 de AI2O3.

L'épaisseur L de la couche du mélange est inférieure à l'épaisseur critique LCj. pour l'ensemble de la cellule.

La cellule telle que décrite fonctionne de la façon suivante:

Dans l'aire située en dehors des zones d'affichage, les couches d'alignement homéotrope 16 et 18 ont pour effet que les molécules du mélange ont une structure homéotrope dans toute l'épaisseur de la cellule. Il en résulte que, dans cette aire, la lumière incidente n'est pas absorbée et que, dès lors, cette aire a l'aspect, notamment la couleur, de la couche diffusante 17 formant fond.

Dans les zones d'affichage (segments), les molécules du mélange sont en contact, du côté de la plaque 9, non pas avec la couche d'alignement homéotrope 16, mais avec la couche 15 de SÌO2. Il en résulte que, dans les zones d'affichage non activées, telle que la zone 19, les molécules du mélange s'orientent parallèlement à la plaque 9 dans le voisinage de celle-ci. Par contre, du côté de la plaque 10, le mélange étant en contact avec la couche d'alignement homéotrope 18, ses molécules s'alignent perpendiculairement à cette plaque dans le voisinage de celle-ci. De la sorte, la structure hélicoïdale est conservée dans les zones d'affichage non activées, telles que la zone 19, qui, ainsi, absorbent la lumière incidente et apparaissent en sombre sur fond clair.

Lorsque les zones d'affichage sont soumises à l'action d'un champ électrique, tel que le champ représenté par le vecteur E, comme c'est le cas de la zone 20 de la fig. 2, les molécules s'alignent parallèlement au champ, la structure étant alors homéotrope. Les segments activés sont ainsi effacés. La commande de cette cellule est donc inversée.

Il est à remarquer que la couche d'alignement homéotrope 18 recouvrant la plaque 10 pourrait être également interrompue au droit des électrodes 14, comme la couche 16 de la plaque 9, une couche de SÌO2 étant interposée entre le diffuseur 17 et la couche d'alignement homéotrope 18. Dans ce cas, dans les zones d'affichage non activées, telles que la zone 19 de la fig. 2, les molécules du mélange, au lieu d'avoir un alignement planaire sur l'une des plaques, et homéotrope sur l'autre, auraient un alignement planaire sur les deux plaques. On serait alors en présence d'une structure de Grandjean.

Il est à remarquer que la présente disposition supprime les contraintes usuelles auxquelles est soumise la détermination de la topologie des électrodes. En effet, là où la projection du dessin d'une électrode de la plaque antérieure sur la plaque postérieure croise le dessin d'une électrode de celle-ci, il se crée un champ électrique qui tend à orienter les molécules du mélange selon une structure homéotrope, laquelle est précisément la structure du mélange dans l'aire située à l'extérieur des zones d'affichage. Les points de croisement ne risquent donc pas d'être visibles intem-

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pestivement. La réalisation du dessin des réseaux des électrodes portées par les deux plaques en est grandement facilitée. Ainsi, une des plaques pourrait être entièrement recouverte d'une couche conductrice. Cette amélioration peut être considérée comme une simplification importante.

Il est à remarquer que la couche 15 de SÌO2 peut être supprimée si l'on utilise du SnC>2 pour la réalisation des pistes conductrices, ce matériau alignant généralement les molécules selon une structure planaire.

Dans la forme d'exécution de la fig. 3, la cellule représentée comprend deux plaques de verre 21 et 22, dont l'une, à savoir la plaque antérieure 21, est transparente, séparées par un cadre 23 auquel elles sont assemblées de façon étanche. Une enceinte est ainsi ménagée, dans laquelle est logé un mélange 24 constitué de cristal liquide nématique à anisotropie diélectrique positive, d'un composé optiquement actif et de molécules dichroïques. La plaque 21 est, en outre, revêtue intérieurement d'une couche d'alignement homéotrope 25 d'AbC^, alors que la plaque postérieure 22 est revêtue intérieurement d'une couche diffusante 26 et d'une couche d'alignement homéotrope 27 d'Al2C>3.

Dans l'aire située en dehors des zones d'affichage, l'épaisseur L de la couche du mélange est inférieure à la valeur critique Lex*

La plaque antérieure 21 porte une électrode de commande 28, alors que la plaque postérieure 22 porte des électrodes de commande 29. Celles-ci sont logées à l'intérieur de creusures 30 ménagées dans la face intérieure de la plaque 22, dont la forme correspond à celle des zones d'affichage (segments). Grâce à ces creusures, au droit desdites zones d'affichage, l'épaisseur L' de la couche du mélange est supérieure à la valeur critique LCx.

Cette cellule fonctionne de la façon suivante:

Dans l'aire située en dehors de la zone d'affichage, les couches d'alignement homéotrope 25 et 27 ont pour effet que la couche de mélange a une structure homéotrope dans toute l'épaisseur de la cellule. Il en résulte que, dans cette aire, la lumière incidente n'est pas absorbée et que, dès lors, cette aire a l'aspect, notamment la couleur, de la couche diffusante 26 formant fond.

Dans les zones d'affichage, en raison de l'accroissement de l'épaisseur de la couche du mélange due à la présence des creusures 30, la structure homéotrope décrite ci-dessus est remplacée par une structure hélicoïdale, comme indiqué en 31, lorsque aucun champ électrique n'est appliqué. La lumière est absorbée et, de ce fait, les segments non activés apparaissent en sombre sur fond clair.

Si, au contraire, un champ électrique tel que représenté par le vecteur Tf est appliqué aux zones d'affichage, comme c'est le cas de la zone 33, le mélange 24 prend une structure homéotrope de sorte que la zone activée est effacée, devenant ainsi claire, et 5 qu'elle ne se distingue plus du fond.

On pourrait aussi interrompre les couches d'alignement homéotrope au droit des zones d'affichage, comme c'est le cas dans la forme d'exécution de la fig. 2. Cependant, l'absence de toute interruption des couches d'alignement présente des avan-10 tages en ce qui concerne la simplicité de la fabrication, d'une part, et la faible tension de commutation que permet l'alignement homéotrope sur les deux plaques, d'autre part.

Il est à noter que les remarques faites au sujet de la forme d'exécution de la fig. 2 concernant les avantages relatifs au dessin 15 des électrodes sont également valables pour la forme d'exécution de la fig. 3.

Dans les deux exemples décrits et représentés, le mélange pourra contenir 97,8% de cristal liquide à anisotropie diélectrique positive tel que le E8 (de la firme anglaise BDH), 1,2% de com-20 posé optiquement actif tel que le CB15 (BDH) et 1% de colorant tel que le D35 (BDH). Pour un tel mélange, le pas p de l'hélice est de 12 um environ. Comme dans ce cas particulier k33

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est sensiblement égal à 1, la valeur critique de L sera aussi égale à environ 12 um.

On peut encore noter que les couches d'alignement telles que décrites pourraient être remplacées par des couches d'autres 30 matériaux: un alignement homéotrope peut être obtenu non seulement avec des couches d'AbOî, mais aussi de MgF2, par exemple (voir demande de brevet allemand (DAS) N° 2330909 de la maison Siemens); un alignement sensiblement planaire peut être obtenu non seulement avec des couches de SÌO2 ou Sn02, 35 mais aussi avec des couches déposées obliquement par évapora-tion de divers matériaux selon le procédé décrit par J.L. Janning dans le brevet USA N° 3834792.

Il est à remarquer que la présente disposition (aussi bien celle de la fig. 2 que celle de la fig. 3) pourra aisément se combiner avec la disposition classique dans laquelle ce sont les segments à afficher qui doivent être activés. On pourrait, en effet, imaginer une cellule d'affichage comprenant, dans la même enceinte, deux aires d'affichage, l'une réalisée suivant la présente disposition et l'autre de type White-Taylor.

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1 feuille dessins

Claims

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1. Cellule d'affichage électro-optique passif comprenant deux plaques dont l'une au moins est transparente, l'espace entre les plaques étant rempli d'une couche d'un mélange de cristal liquide nématique à anisotropie diélectrique positive, d'un composé optiquement actif et de molécules dichroïques, mélange pour lequel il existe, pour un alignement homéotrope sur les surfaces des plaques, une épaisseur critique telle qu'en dessous de cette valeur critique, les molécules du mélange ont une structure homéotrope dans toute l'épaisseur de la cellule, alors qu'en dessus de cette valeur, les molécules ont une structure hélicoïdale dans la zone médiane de la couche, caractérisée par le fait que, dans l'aire située en dehors des zones d'affichage, l'épaisseur de la couche du mélange est inférieure à la valeur critique, les molécules ayant une structure homéotrope dans toute l'épaisseur de la couche, cette aire étant, de ce fait, transparente, alors que, dans les zones d'affichage, en l'absence de champ électrique, le mélange a une structure hélicoïdale, ces zones étant de ce fait absorbantes, tandis que, en présence d'un champ électrique, le mélange a une structure homéotrope, de sorte que ces zones sont alors transparentes, les zones d'affichage non excitées restant seules observables.

2. Cellule suivant la revendication 1, caractérisée par le fait que, dans les zones d'affichage et en l'absence de champ électrique, la structure hélicoïdale est due à un alignement sensiblement planaire sur au moins l'une desdites plaques, l'angle formé par les molécules du mélange et la plaque étant inférieur à 45°.

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REVENDICATIONS

3. Cellule suivant la revendication 2, caractérisée par le fait que lesdites plaques sont revêtues, intérieurement, de couches produisant l'alignement homéotrope des molécules du mélange, ces couches étant interrompues au droit des zones d'affichage sur au moins une des plaques de la cellule, ce qui produit la structure hélicoïdale, au droit de ces zones.

4. Cellule suivant la revendication 1, caractérisée par le fait que, dans les zones d'affichage et en l'absence de champ électrique, la structure hélicoïdale est due au fait que l'épaisseur de la couche du mélange est supérieure à l'épaisseur critique.

5. Cellule suivant la revendication 4, caractérisée par le fait que les molécules du mélange ont un alignement homéotrope sur toute la surface des deux plaques.