CH647337A5

CH647337A5 - Dispositif electro-optique a cristaux liquides chiraux smectiques c ou h.

Info

Publication number: CH647337A5
Application number: CH54/81A
Authority: CH
Inventors: Noel A Clark; Sven T Lagerwall
Original assignee: Noel A Clark; Sven T Lagerwall
Priority date: 1980-01-08
Filing date: 1981-01-07
Publication date: 1985-01-15
Also published as: JP2548749B2; US4367924A; JPS63153521A; JPS6322287B2; JP2558405B2; JPS56107216A; JPH05281580A

Description

La présente invention a pour objet un dispositif électro-optique à cristaux liquides et un procédé pour la fabrication de ce dispositif.

Les cristaux liquides ont trouvé des applications variées dans le domaine électro-optique, en particulier dans le cas où il est souhaitable de disposer de soupapes optiques, commandées par une variation de tension électrique, sous une forme compacte et ayant un bon rendement énergétique, par exemple pour des dispositifs d'affichage optique de montres et de calculatrices. Le fonctionnement de ces dispositifs est fondé sur des effets d'alignement diélectrique dans des phases nématiques, cholestériques et smectiques, résultant de l'anisotropie diélectrique, l'axe longitudinal moyen des molécules prenant une position d'orientation préférentielle sous l'effet de l'application d'un champ électrique. Etant donné que l'effet de couplage du champ électrique dans de tels dispositifs est assez faible, le temps de réponse électro-optique de ces dispositifs est trop long pour permettre leur emploi dans de nombreuses applications potentielles.

Les dispositifs d'affichage optique à cristaux liquides (LCD) présentent un certain nombre de caractéristiques intéressantes, notamment le fait qu'ils fonctionnent sous faible tension et faible puissance, ce qui rend ces dispositifs les plus prometteurs parmi les dispositifs d'affichage électro-optique non émissifs. La lenteur de la réponse ainsi que la non-linéarité insuffisante de ces dispositifs constituent un facteur limitant leurs possibilités d'application. L'importance de la lenteur de la réponse de ces dispositifs s'accroît avec le nombre des éléments actifs qui doivent être commandés dans un dispositif donné. Cela conduit à des coûts de fabrication de plus en plus prohibitifs dans le cas de dispositifs d'affichage plat destinés à l'utilisation dans des terminaux d'ordinateurs, des oscilloscopes et des écrans de radar et de télévision.

La fig. 1 est une représentation schématique d'un dispositif élec-tro-optique à cristaux liquides chiraux smectiques C ou H. Les cristaux liquides 100 sont sous forme de couches de molécules 102.

Dans chaque couche 102, l'orientation moyenne des axes longitudinaux, repérée par le vecteur unitaire n, est inclinée avec un angle \j/0 par rapport à la perpendiculaire à la couche. Dans un article intitulé «Ferroelectric Liquid Crystals» (cristaux liquides ferroélectriques), publié dans le «Journal de Physique», vol. 36 (mars 1975, pp. L-69 à L-71), Meyer et autres ont montré que des cristaux liquides smectiques C ou H constitués par des molécules optiquement actives (cristaux liquides chiraux smectiques C ou H) seraient, en général, ferro-électriques, avec une densité de dipôle électrique P perpendiculaire à la direction d'inclinaison des axes des molécules n et parallèle au plan des couches de cristaux liquides smectiques. Cette démonstration s'applique également au cas de la phase smectique H, dont la structure est voisine de celle de la phase smectique C, mais qui possède une viscosité plus élevée à l'égard de la réorientation de l'angle n par rapport à un axe normal aux couches de molécules. La présence du dipôle électrique dans ces cristaux liquides chiraux smectiques permet un couplage de l'orientation moléculaire avec le champ électrique appliqué, E, beaucoup plus fort que celui qui résulte de l'anisotropie diélectrique. En outre, ce couplage est polaire, du fait que l'orientation préférentielle de P est parallèle à E, de sorte que l'inversion.de la polarité du champ électrique appliqué inverse l'orientation préférentielle de P, ce qui signifie que l'on peut utiliser de manière efficace l'inversion du champ électrique pour commander l'orientation moléculaire.

Deux propriétés des cristaux liquides ferroélectriques smectiques ont entravé la mise au point de procédés pratiques permettant d'exploiter leurs avantages intrinsèques. La première de ces propriétés consiste dans le fait que, dans les cristaux liquides ferroélectriques smectiques, la polarisation doit être parallèle au plan des couches des molécules, comme représenté à la fig. 1, mais doit, par ailleurs, être exempte de contrainte. En conséquence, contrairement au cas des substances ferroélectriques cristallines, les cristaux liquides ferroélectriques smectiques ne forment pas spontanément des domaines uniformes d'orientation de P dans la masse de ces cristaux,

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car ceux-ci nécessitent des directions d'orientation préférentielle qui sont fournies, par exemple dans le cas des substances ferro-électriques cristallines, par le réseau cristallin.

La seconde propriété consiste dans le fait que, à titre de conséquence supplémentaire de la chiralité des molécules, dans une masse de cristaux liquides ferroélectriques smectiques C ou H, le vecteur unitaire n et le vecteur de polarisation P se déplacent en spirale le long de l'axe normal aux couches, lorsque l'on passe d'une couche à l'autre à travers l'échantillon, comme représenté à la fig. 1. Ce déplacement en spirale annule le moment dipolaire macroscopique et correspond à l'annulation macroscopique de la polarisation par formation de domaines dans les substances ferroélectriques cristallines.

Ainsi, comme on le voit à la fig. 1, pour chaque couche 102, le cône 104 représente le lieu géométrique des orientations des molécules dans une couche. Il est à remarquer que le cône forme un angle \j/0 avec l'axe longitudinal des molécules. Les vecteurs unitaires n 106 à 130 représentent la direction moyenne d'alignement des axes longitudinaux des molécules dans chacune des couches. Comme on le voit, la projection du vecteur 106 sur le plan de la figure est une droite normale au plan des couches 102. En descendant de couche en couche, le vecteur unitaire moyen n des molécules se déplace en spirale. Ainsi, les vecteurs unitaires se déplacent en spirale d'un angle azimutal (j> = 90°, en passant du vecteur 106 au vecteur 112. Les vecteurs unitaires se déplacent en spirale de 180° entre le vecteur 12 et le vecteur 124. Finalement, les vecteurs unitaires se déplacent encore en spirale de 90° entre le vecteur 124 et le vecteur 130, de sorte que le déplacement en spirale total, du vecteur 106 au vecteur 130, est de 360°. Ainsi, le vecteur unitaire moyen n des molécules dans la couche associée au vecteur unitaire 106 est parallèle au vecteur unitaire moyen n des molécules dans la couche associée au vecteur unitaire 130. La distance entre la couche ayant le vecteur unitaire 106 et la couche ayant le vecteur unitaire 130 constitue le pas de l'hélice formée par les molécules dans une direction perpendiculaire 'aux couches. Dans chaque couche, le vecteur de polarisation ferroélec-trique P est normal à n et disposé dans le plan des couches.

On a mis en évidence un effet de distorsion et de déroulement de la spirale par application d'un champ électrique, de manière simi-liare à ce qui est observé dans le cas des cristaux liquides chiraux né-matiques. On peut citer, à ce sujet, la publication de Meyer et autres, mentionnée plus haut, ainsi que les publications suivantes: Marti-not-Legarde, «Obervation of Ferroelectrical Monodomains in the Chiral Smectic C Liquid Crystals» (Observation des monodomaines ferroélectriques dans les cristaux liquides chiraux smectiques C in «Le Journal de Physique», colloque, vol. 37 (1976, pp. C3-129 à C3-132); Martinot-Legarde, «Direct Electrical Measurement of the Primitive Polarization of a Ferroelectrics Chiral Smectic C Liquid Crystal» (Mesures directes par voie électrique de la polarisation primitive d'un cristal liquide ferroélectrique chiral smectique C), in «Le Journal de Physique», vol. 38 (janvier 1977, pp. L-17 à L-19), et Takezoe et al. («Biréfringence in the Sm A Phase and the Disappea-rance of Hélicoïdal Structure in the Sm C Phase Caused by an Electric Field in DOBAMBC) (Biréfringence dans la phase Sm A et disparition de la structure hélicoïdale dans la phase Sm C sous l'influence d'un champ électrique dans le DOBAMBC), in «Japanese Journal of Applied Physics», vol. 17, N° 7 (juillet 1978, pp. 1219-1224). On a également pu observer la suppression de l'hélice dans les cristaux liquides chiraux smectiques C, dans des conditions nécessitant que les molécules proches de la limite soient parallèles à la surface et orientées dans une direction particulière. A ce sujet, on peut citer la publication de Brunet et autres, «Défauts dans les Smectiques C Chiraux», in «Ann. phys.», vol. 3, N° 2-3-4 (1978, pp. 237-247).

En dépit du fait que les avantages des cristaux liquides ferro-électriques pour la production d'effets électro-optiques ont été reconnus, de tels effets n'ont pas été démontrés. A ce sujet, on peut citer la publication de Meyer, «Ferroelectric Liquid Crystals; A Review» (Cristaux liquides ferroélectriques; revue), in «Mol. Cryst. Liq. Cryst.», vol. 40 (1977, pp. 33-48, et en particulier pp. 36, 38 à

40, 47). Au contraire, bien que plusieurs groupes de recherche, travaillant dans différents pays, aient étudié, depuis 1975, les effets des champs électriques sur les cristaux liquides ferroélectriques, ils n'ont pas mis en évidence une réponse significativement plus rapide que celle qui caractérise les espèces déjà connues de cristaux liquides. Il serait donc hautement souhaitable de disposer d'un procédé permettant l'utilisation, de manière efficace, du fort effet de couplage de l'orientation moléculaire avec un champ électrique appliqué, permis par les cristaux liquides ferroélectriques pour la réalisation d'un dispositif électro-optique rapide et sensible à la polarité.

Tel est le but de la présente invention.

A cet effet, le dispositif selon l'invention présente les caractéristiques spécifiées dans la revendication 1, et le procédé pour la fabrication de ce dispositif présente les caractéristiques spécifiées dans la revendication 18.

Dans le dispositif selon une forme de réalisation de l'invention, une matière sous forme de cristaux liquides chiraux smectiques C ou H est disposée entre des plaques planes traitées de manière à provoquer l'orientation des molécules des cristaux liquides parallèlement à ces plaques mais dans une direction quelconque dans le plan des surfaces de ces plaques. Ces plaques sont écartées l'une de l'autre d'une distance suffisamment faible pour permettre de dérouler l'hélice. L'invention repose sur la découverte du fait que, grâce à une telle disposition, le champ d'orientation des cristaux liquides possède deux états stables. On peut commuter l'orientation des cristaux liquides entre ces deux états en inversant la polarité d'un champ électrique extérieur, appliqué aux cristaux liquides, en permettant ainsi la réalisation d'une soupape optique bistable ou d'autres dispositifs électro-optiques.

Si l'on utilise le dispositif selon l'invention comme soupape optique, les plaques qui limitent la masse de cristaux liquides sont constituées par une matière transparente et sont recouvertes par une couche conductrice électrique semi-transparente par l'intermédiaire de laquelle on peut appliquer un champ électrique aux cristaux liquides.' L'orientation des molécules change lorsque l'on inverse la polarité du champ électrique, ce qui permet la sélection de l'un ou de l'ature des deux états stables. Ces deux états correspondent à des axes optiques d'orientations différentes et l'on utilise la réorientation d'au moins l'un de ces axes optiques pour modifier l'intensité de la lumière traversant un ensemble polariseur/cristaux liquides/polariseur. Le dispositif électro-optique ainsi formé présente les caractéristiques suivantes:

1. Grande rapidité. La vitesse de réponse électro-optique est de 1000 à 10000 fois plus élevée (pour les smectiques C) que dans le cas des dispositifs électro-optiques à cristaux liquides dont on dispose actuellement.

2. Bistabilité. La réponse électro-optique est caractérisée par les •deux états stables dont chacun peut être choisi par application d'un champ électrique approprié et dont chacun est stable en l'absence de ce champ électrique.

3. Comportement de seuil. Le passage de l'absence de réponse de commutation à une réponse de commutation complète correspond à un très petit domaine d'amplitudes et de durées de l'application du champ électrique.

4. Grande amplitude de la réponse électro-optique. La modification optique induite par le champ électrique correspond à une rotation d'un angle de 20 à 60° d'une substance uniaxe ayant une anisotropie d'indice de réfraction An supérieure à 0,2. Cette amplitude de réponse est de 10 à 100 fois supérieure à celle que l'on peut obtenir dans le cas des autres dispositifs électro-optiques bistables.

5. Echelle des intensités des tonalités incorporée. Grâce à la non-linéarité du domaine de commutation, on peut utiliser la modulation d'amplitude d'impulsions et la modulation de largeur d'impulsions pour l'obtention d'un effet de mémoire à niveau multiple.

6. Commande de la couleur. On peut agir sur la biréfringence de l'échantillon et l'orientation des deux polariseurs en vue de l'obtention d'effets de coloration. Avec un seul échantillon smectique C disposé, comme décrit ci-dessus, entre deux polariseurs, on pourrait obtenir une couleur choisie parmi deux couleurs différentes, en travail4

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lant en transmission ou en réflexion. Avec un dispositif comprenant deux échantillons de cristaux liquides smectiques C disposés entre deux polariseurs, on peut obtenir une soupape optique transmettant ou réfléchissant quatre couleurs.

Le dispositif selon l'invention peut être utilisé dans des domaines d'application variés qui ne sont pas accessibles actuellement aux dispositifs connus. La caractéristique de bistabilité de ce dispositif est avantageuse dans des cas faisant appel à un grand nombre de dispositifs électro-optiques individuels tels que les dispositifs d'affichage graphiques ou les dispositifs d'affichage d'image blanc. Cette caractéristique de bistabilité évite la nécessité d'utiliser un dispositif électronique externe ou un dispositif de mémoire d'un autre genre pour le maintien de l'image. On peut utiliser avec succès ce dispositif comme dispositif d'affichage vidéo à commutation de commande matricielle. La réponse des éléments individuels de ce dispositif est assez rapide pour permettre l'obtention de la vitesse de changement de l'image requise et sa sensibilité de seuil est telle que les impulsions appliquées pour modifier un élément donné n'ont aucun effet sur les autres éléments de la même ligne ou de la même colonne. D'autre part, la modification optique correspondant à l'effet électro-optique a une amplitude suffisante pour permettre son utilisation pratique. Au contraire, dans le cas des substances ferroélectriques cristallines bistables, fonctionnant sous des tensions beaucoup plus élevées, l'anisotropie optique est très faible et on ne peut obtenir des effets de modification de la lumière qu'à l'intérieur d'un domaine d'angles d'observation trop restreint pour permettre l'emploi dans des dispositifs d'affichage optique.

Le dispositif selon l'invention fonctionne par effet de champ, ce qui se traduit par des impédances très élevées et, en conséquence, par de faibles intensités. Ainsi, du fait de sa vitesse de commutation de l'ordre de 1 |is, de sa non-linéarité intrinsèque suffisante et de sa faible consommation d'énergie, le dispositif selon l'invention convient dans des applications impliquant une commande matricielle à grande échelle ou une commutation multiple. Entre autres, ce dispositif ouvre aux cristaux liquides les domaines de la vidéo et des communications optiques.

L'invention sera mieux comprise grâce à la description détaillée qui va suivre d'exemples de mise en œuvre de l'invention, en se référant au dessin annexé, dans lequel:

la fig. 1 est une illustration schématique d'une masse de cristaux liquides chiraux smectiques C ou H, et la fig. 2 est une vue schématique, arrachée, d'un dispositif électro-optique selon l'invention.

Dans le dispositif électro-optique selon l'invention, représenté à la fig. 2, des cristaux liquides 100 sont placés entre deux plaques planes ou pratiquement planes, 132 et 134, ayant entre elles un écarte-ment uniforme. Les plans des couches 102 sont disposés perpendiculairement aux plaques 132 et 134. Dans chaque couche, le vecteur n indiquant la direction d'orientation des axes des molécules est incliné d'un angle i|/0 par rapport à la normale aux couches 102.

Les surfaces des plaques 132 et 134, qui sont contiguës aux cristaux liquides 100, sont traitées de manière à favoriser une orientation des molécules des cristaux liquides, au voisinage de ces surfaces, de manière que l'orientation moyenne des axes longitudinaux des molécules soit parallèle à ces surfaces, mais corresponde à une direction quelconque dans le plan des surfaces. On connaît différentes manières d'obtention de cette orientation, et le traitement de surfaces utilisées dans chaque cas dépend de la nature des composés à cristaux liquides smectiques C ou H. Par exemple, lorsque l'on utilise, comme composé à cristaux liquides, le cinnamate de méthylbut-yl-2-p'-aminodécyloxybenzylidène (DOBAMBC) ou le cinnamate de chloropropyl-2-p'-aminohexyloxybenzylidène (HOBACPC), l'orientation des molécules peut être induite soit par une couche de verre propre ou par une couche d'oxyde d'étain propre. En variante, il a également été démontré qu'une couche de matière polymère appropriée, telle que le n-méthyl-3-amìnopropyltriméthoxysilane (MAP), est capable d'induire cette orientation. On peut citer, à ce sujet, la publication de Kahn et autres, dans «Proceedings of the IEEE», vol. 61 (1973, pp. 281-288).

Comme mentionné ci-dessus, les couches 102 doivent être perpendiculaires ou presque perpendiculaires aux plaques 132 et 134. Cela peut être facilement obtenu dans le cas de l'utilisation de substances qui possèdent des phases smectiques A à température élevée. Dans ce cas, les cristaux liquides smectiques A sont formés par refroidissement à partir de la phase isotropique ou de la phase nématique, selon la nature du composé. La formation d'une phase smectique A, avec les conditions aux surfaces de séparation indiquées ci-dessus, provoque la formation d'une structure en éventail avec des couches perpendiculaires aux plaques limites incurvées localement en arc de cercle. Lorsque l'on refroidit pour former les phases smectiques C ou H, cette disposition des couches reste pratiquement inchangée essentiellement à cause des forces d'élasticité qui s'opposent à la compression des couches.

Dans de nombreuses applications, telles que les soupapes optiques, il est en outre nécessaire d'orienter les couches 102 de manière à les rendre planes et uniformément perpendiculaires à une direction parallèle aux plaques 132 et 134. Cela peut être obtenu de différentes manières. Si les cristaux smectiques A sont formés à partir d'une phase nématique, l'application d'un champ magnétique d'intensité suffisante, parallèlement aux plaques 132 et 134, produit un monodomaine nématique dont l'orientation moléculaire moyenne correspond à l'orientation du champ magnétique. Lorsque l'on refroidit de manière à obtenir la phase smectique A, on forme un monodomaine smectique A ayant des couches planes perpendiculaires à la direction du champ magnétique.

On peut également former un monodomaine smectique A en appliquant une contrainte de cisaillement au cristal liquide dans la phase smectique A au voisinage de la limite supérieure du domaine de température smectique A. Dans ce cas, on déplace avec ménagement (de manière à éviter d'induire un alignement homéotropique) l'une des plaques limites par rapport à l'autre. Afin de rendre minimale la contrainte élastique, les couches se réorientent parallèlement à la direction du mouvement de la plaque. Cette manière de procéder est particulièrement utile dans le cas de substances et de mélanges qui ne présentent pas de phase nématique.

Après l'orientation de l'échantillon smectique A avec les couches 102 planes et perpendiculaires aux plaques 132 et 134, le refroidissement en phases smectiques C ou H permet l'obtention de la structure représentée à la fig. 2. Comme indiqué à la fig. 1, dans des échantillons épais, les vecteurs unitaires n 106-130 et, par conséquent, les dipôles P se déplacent en spirale autour de la direction perpendiculaire aux couches, par suite de l'activité optique des molécules. Toutefois, cette hélice ne peut pas se former dans l'ensemble de la masse des cristaux liquides tout en satisfaisant encore à la condition imposée aux surfaces limites d'avoir des molécules parallèles aux plaques 132 et 134 à la surface de la masse de cristaux liquides. Lorsque l'on rend cette masse de cristaux liquides plus mince, de façon que la distance entre les plaques 132 et 134 se rapproche du pas de l'hélice, le volume de cette masse décroît et l'énergie nécessaire pour dérouler l'hélice dans la masse de cristaux liquides devient plus faible, de sorte que, pour des échantillons suffisamment minces, les conditions aux limites seront satisfaites et la formation des hélices supprimée. On observe la suppression des hélices lorsque les plaques sont séparées par une distance inférieure à environ le quintuple du pas des hélices.

Cette suppression des hélices conduit à l'orientation moléculaire 136 ou à l'orientation moléculaire 138 qui est tout aussi stable, comme représenté à la fig. 2. On voit que l'orientation 138 correspond à une orientation du moment dipolaire électrique P vers le haut et que l'orientation 136 correspond à un vecteur de moment électrique dipolaire P dirigé vers le bas. On peut favoriser les orientations en appliquant un champ électrique à l'échantillon de manière à produire un champ parallèle au dipôle de polarisation P. Les directions d'orientation des molécules dans l'échantillon sont séparées par des parois de domaines illustrées par les lignes interrompues 144,

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la structure et la largeur de ces parois étant déterminées par l'énergie requise pour modifier l'angle de basculement smectique, l'énergie de compression des couches et, ce qui est plus important, l'énergie de surface et les énergies de flexion et torsion élastiques de direction. Dans des échantillons de DOBAMBC et HOBACPC ayant une épaisseur de 1,5 n, les épaisseurs des parois des domaines sont inférieures à 1 |i. L'application d'un champ électrique modifie l'orientation des molécules dans la région des parois de séparation des domaines de manière à augmenter le domaine correspondant à l'orientation favorisée.

Les parois de séparation des domaines réagissent avec les défauts de la structure des couches, les rayures et les cavités de la surface et les impuretés locales de la masse de cristaux liquides et de la surface des plaques. Ces interactions ont pour effet de maintenir les positions des parois de séparation des domaines après déplacement de ces parois par application d'un champ électrique. Il en résulte que les domaines manifestent un phénomène d'hystérésis qui est à l'origine du comportement de seuil et de la bistabilité des cristaux liquides. La bistabilité résulte du fait que, après une application de courte durée d'un champ électrique destiné, par exemple, à favoriser la direction d'orientation 138, les parois de séparation des domaines sont ancrées de manière stable de sorte que l'échantillon conservera la direction d'orientation 138. Il en est de même, de manière similaire, en ce qui concerne le champ de polarité inverse, d'orientation 136. Le comportement de seuil découle du fait que, une fois les parois mises en place, il est nécessaire d'appliquer, pour les déplacer, une force supérieure à une certaine valeur de seuil.

L'application brusque d'un champ électrique destiné à provoquer la commutation est suivie par la nucléation et le déplacement des parois de séparation des domaines. Le temps nécessaire au changement d'état d'une zone donnée de l'échantillon est déterminé par la vitesse de déplacement des parois de séparation des domaines et par la distance que ces parois doivent parcourir pour balayer la totalité de l'échantillon. En général, pour permettre le déclenchement de basculement bistable par une impulsion de champ électrique, cette impulsion doit avoir une durée suffisante pour que le changement d'orientation s'effectue de manière complète au cours de l'impulsion. Cette durée diminue lorsque l'intensité du champ électrique augmente, car le mouvement des parois de séparation des domaines devient plus rapide et le nombre de ces parois augmente.

Dans un échantillon de HOBACPC ayant une épaisseur de 1,5 ji, à une température T = 88° C, limité par des plaques revêtues d'oxyde d'étain propre, une impulsion de tension rectangulaire, ayant une durée t = 5 |is et une amplitude A = 10 V, provoque la commutation du champ d'orientation des cristaux liquides en 5 |is environ. Lorsque t ou A diminue, on approche du seuil de commutation de sorte qu'une impulsion de 10 V, de 4 |j.s ou de 8 V, 5 us ne déclenche pas la commutation. L'échantillon reste dans l'état obtenu après commutation jusqu'à ce qu'une impulsion correspondant au seuil indiqué ci-dessus et ayant la polarité inverse soit appliquée. Dans le cas d'échantillons de HBACPC tels que mentionnés ci-dessus, on a constaté le déclenchement de la commutation par des impulsions comprises dans le domaine A = 0,2 V, r = 4 us à A = 55 Y, t = 500 ns. Dans le cas d'impulsions de tension élevée et de courte durée, le temps de réponse de réorientation n'a pas diminué au-dessous de 1 us.

La criticalité du rapport de contraste dépend de la qualité du traitement de surface, des polariseurs employés et de leurs orientations, ainsi que de l'amplitude et de la largeur des impulsions. Avec des impulsions de 5 jxs et de 10 V, et un traitement de surface simple, on a facilement obtenu, dans des échantillons de laboratoire, un rapport de contraste meilleur que 20:1.

Des traitements de surfaces plus complexes favorisent la bistabilité. Par exemple, une série de stries rectangulaires parallèles (ayant quelques microns de largeur, quelques microns d'amplitude et séparées par quelques microns) permet d'orienter de manière efficace le vecteur unitaire n, à la surface, de manière à rendre les axes longitudinaux des molécules parallèles à ces stries. Conformément à une forme d'exécution particulièrement avantageuse du dispositif selon l'invention, on utilise deux groupes de stries parallèles, orientés l'un par rapport à l'autre avec un angle de 2 \j/0, de sorte que, dans la direction d'orientation 136, le vecteur unitaire est parallèle à un groupe de stries et, dans la direction d'orientation 138, le vecteur unitaire est parallèle à l'autre groupe de stries. De cette manière, on peut régler de manière précise l'hystérésis correspondant au changement d'une orientation stable à l'autre.

Comme indiqué ci-dessus, lors de la description de la fig. 2, l'orientation moléculaire 136 est différente de l'orientation moléculaire 138. On peut mettre cette différence à profit dans un dispositif de réglage de la lumière, de la manière qui va être décrite. L'échantillon 100 est disposé entre deux lames polarisantes. Conformément à une forme d'exécution particulièrement avantageuse du dispositif, les plaques 132 et 134 sont elles-mêmes polarisées. Dans la forme d'exécution la plus simple de la soupape optique, les plaques 132 et 134 sont orientées avec leurs axes de polarisation préférentiels, PI et P2, perpendiculaires l'un par rapport à l'autre. Les cristaux liquides 100, qui sont biaxiaux avec le plan qui contient les axes optiques disposés parallèlement aux plaques 132 et 134, sont orientés de façon telle que l'un des axes optiques soit parallèle à la direction de polarisation PI de la plaque 134 dans l'une des positions d'orientation stable telle que l'orientation 136. Quand les cristaux liquides 100 sont dans la position d'orientation 136, la lumière qui traverse la plaque 134 et dont l'angle d'incidence est perpendiculaire aux cristaux 100 traverse l'échantillon sans modification de son état de polarisation, et elle est atteinte par la plaque 132 ayant une direction de polarisation P2 perpendiculaire. Lorsqu'on provoque le basculement des cristaux liquides 100 dans la direction d'orientation 138, l'axe optique des cristaux liquides tourne de façon à faire un angle de l'ordre 2 \|/0 avec la direction de polarisation de la plaque 134 et, à cause de la biréfringence des cristaux liquides 100, la lumière devient, en général, polarisée elliptiquement lors de sa traversée des cristaux liquides 100. (La disposition des polariseurs doit être modifiée si \|/0 est de l'ordre de 45°. Toutefois, les composés actuellement connus ont des valeurs de y0 comprises entre 10 et 30° dans un domaine de températures de 15 à 20° C.) Si la lumière de longueur d'onde X qui est polarisée le long de la direction PI a un angle d'incidence perpendiculaire aux cristaux 100, la fraction F de l'intensité lumineuse transmise est donnée par la relation:

F = F0 [sin(4 \|/0) • sin (t: • An • d/ X)]2

dans laquelle d est la distance entre les plaques, A est la différence entre les indices de réfraction principaux et F0 est la fraction transmise par les polariseurs parallèles seuls. Pour des composés smectiques C ou H caractéristiques, on a y 0 23°, ce qui permet une transmission optimale (F = F0) pour d ^ X/2 An, c'est-à-dire pour d 1,2 us car An 0,2. Par conséquent, on n'a besoin que d'échantillons très minces pour obtenir des effets électro-pptiques marqués. Cela constitue une propriété utile car, de ce fait, le domaine des angles d'incidence dans lequel l'effet électro-optique peut être mis à profit de manière pratique est étendu.

La disposition polariseur/cristaux liquides/polariseur peut également être utilisée dans des cas d'orientation plus généraux du polari-seur et des cristaux liquides. La lumière sortant du premier polari-seur sera polarisée le long de la direction de son axe préférentiel. En traversant les cristaux liquides, la lumière devient polarisée elliptiquement. Le second polariseur choisit ensuite le composant de la lumière polarisée elliptiquement parallèle à son axe préférentiel.

Il est bien connu que, lorsqu'on envoie un faisceau de lumière blanche sur un tel dispositif, la lumière de sortie présente des couleurs de biréfringence que l'on peut choisir en faisant varier de manière appropriée l'orientation relative de l'échantillon et des polariseurs.

Pour engendrer le champ électrique, on peut utiliser tout moyen approprié. A cet effet, on requiert seulement une paire d'électrodes placées l'une par rapport à l'autre sur des côtés opposés de la masse des cristaux liquides. Si l'on utilise un revêtement d'oxyde d'étain

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sur les plaques 132 et 134, on peut connecter des conducteurs électriques au revêtement et appliquer une tension entre les plaques 132 et 134 de manière à engendrer un champ électrique.

La fig. 2 représente une forme d'exécution qui peut être utilisée en tant que dispositif d'affichage vidéo à commutation de commande matricielle. Des électrodes 148 sont fixées sur la plaque 132 parallèlement les unes aux autres et avec un espacement uniforme entre elles. Des électrodes 146 sont appliquées, de la même façon, sur la plaque 134, mais dans une direction perpendiculaire aux électrodes 148. Chacune des bornes 152 d'un commutateur 150 est raccordée électriquement à l'une des électrodes 148. De manière analogue, chacune des bornes 156 d'un commutateur 154 est raccordée électriquement à l'une des électrodes 146. Les bornes 158 du commutateur 150 et les bornes 160 du commutateur 154 sont raccordées aux bornes opposées d'une source de tension. Les commutateurs 150 et 154 comprennent des moyens permettant d'appliquer la tension à partir d'une source de tension sur l'une quelconque des électrodes 148 et l'une quelconque des électrodes 146.

Ainsi, chacun des volumes rectangulaires de la masse de cristaux liquides 100 placés perpendiculairement entre l'une quelconque des électrodes 146 et l'une quelconque des électrodes 148 définit une région dans la masse de cristaux liquides 100. On peut commander les commutateurs 150 et 154 de manière à appliquer une tension à travers les électrodes contiguës à chacun de ces volumes rectangulaires. Cela produit un champ électrique dans le volume rectangulaire perpendiculaire aux plaques 132 et 134 et parallèle aux couches 102 dans lesquelles les dipôles du champ P tendent à s'aligner.

s Les commutateurs 150 et 154 constituent également des moyens permettant d'inverser la polarité de la tension appliquée entre les électrodes 146 et 148 de façon à inverser la direction du champ dans l'un quelconque des volumes rectangulaires. En inversant la direction du champ électrique, on peut modifier l'orientation des molécu-io les dans chacun des volumes rectangulaires particuliers de la masse de cristaux liquides 100. Dans ce genre d'utilisation, le comportement de seuil mentionné ci-dessus joue un rôle important dans le cas où les tensions appliquées aux électrodes choisies 146 et 148 doivent provoquer la commutation uniquement dans le volume défini par 15 l'intersection de ces électrodes.

Bien que quelques exemples seulement de la mise en œuvre de l'invention aient été décrits en détail ci-dessus, il est clair que l'invention ne se limite pas aux formes d'exécution expressément décrites ci-dessus. Par exemple, on pourrait disposer un réflecteur derrière la 20 plaque 134 de manière à former un dispositif fonctionnant en réflexion. Dans un tel dispositif, la lumière traverse la plaque 132, l'échantillon 100 et la plaque 134, et elle est ensuite réfléchie par le réflecteur à travers ces mêmes cou.ches.

R

2 feuilles dessins

Claims

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1. Dispositif électro-optique à cristaux liquides, caractérisé par le fait qu'il comprend: une certaine quantité de cristaux liquides chi-raux, se trouvant dans au moins l'un des états smectique C et smectique H, sous la forme d'une pluralité de couches adjacentes dont chacune comprend une pluralité de molécules ayant chacune un axe longitudinal; un premier et un second moyen d'alignement des axes longitudinaux des molécules parallèlement à ces moyens, ces moyens d'alignement étant disposés perpendiculairement à ces couches et en position contiguë à celles-ci, les molécules de ces couches ayant la propriété de former, dans la masse de ces cristaux liquides, des hélices dont l'axe est perpendiculaire à ces couches, la distance entre ces deux moyens d'alignement étant inférieure à la distance de formation des hélices et ces deux moyens d'alignement étant agencés de manière à conférer aux axes longitudinaux une orientation correspondant à une première ou à une seconde position stable d'orientation; des moyens pour appliquer à au moins une partie de ces couches un champ électrique parallèle à ces couches et perpendiculaire à ces moyens d'alignement et pour inverser la direction de ce champ électrique, l'intensité de ce champ électrique étant suffisante pour permettre de faire basculer l'axe longitudinal des molécules, dans ces parties des couches de cristaux liquides, de la première position d'orientation à la seconde position d'orientation, par inversion du sens d'application de ce champ électrique, l'orientation ainsi conférée aux axes des molécules persistant après l'interruption de l'application du champ électrique, et des moyens de traitement de la lumière traversant ces cristaux liquides de manière à permettre la distinction entre la lumière traversant les parties des couches où les cristaux liquides ont la première position d'orientation et celle qui traverse les parties des couches où les cristaux liquides ont la deuxième position d'orientation.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits moyens pour appliquer un champ électrique sont agencés de manière à permettre l'application sélective du champ électrique à une partie prédéterminée des couches de molécules.

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REVENDICATIONS

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3. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé par le fait que les cristaux liquides sont constitués par le cinnamate de méthylbutyl-2-p'-aminodécyloxybenzylidène et le cin-namate de chloropropyl-2-p'-aminohexyloxybenzylidène.

4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les premier et second moyens d'alignement des axes longitudinaux des molécules comprennent des plaques présentant au moins une surface en verre ou en oxyde d'étain contiguë aux cristaux liquides.

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5. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé par le fait que les moyens pour appliquer un champ électrique comprennent une première et une seconde électrode, respectivement adjacentes au premier et au second de ces moyens, et des moyens pour appliquer une tension entre ces deux électrodes.

6. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé par le fait que les cristaux liquides ont au moins un premier axe optique orienté dans une première direction, lorsque l'axe longitudinal des molécules est dans la première position d'orientation, et dans une seconde direction, lorsque l'axe longitudinal des molécules est dans la seconde position d'orientation, et par le fait que les moyens d'alignement des axes des molécules, les moyens pour appliquer un champ électrique aux couches de molécules et les moyens de traitement de la lumière comprennent une première et une deuxième plaque ayant des surfaces contiguës aux cristaux liquides et munies de moyens permettant d'aligner les axes longitudinaux des molécules adjacentes à ces surfaces parallèlement à ces dernières, la première de ces plaques comprenant des moyens pour polariser la lumière dans la première direction d'orientation de l'axe optique et la deuxième plaque comprenant des moyens pour polariser la lumière perpendiculairement à cette première direction d'orientation, une première et une seconde électrode, respectivement adjacente à la première et à la deuxième plaque, et des moyens pour appliquer une tension entre ces deux électrodes.

7. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé par le fait que la distance entre les moyens d'alignement des axes longitudinaux des molécules n'excède pas une valeur correspondant au quintuple du pas des hélices formées par les molécules de cristaux liquides.

8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend une première et une deuxième plaque perpendiculaires aux couches de cristaux liquides et comprenant des moyens, conti-gus aux cristaux liquides, pour aligner les axes longitudinaux des molécules, adjacentes à ces moyens, parallèlement à ces plaques, la distance entre ces plaques étant inférieure à la distance de formation des hélices; au moins une première électrode étant disposée sur un côté de la masse de cristaux liquides, parallèlement à ces deux plaques; au moins une deuxième électrode étant disposée sur l'autre côté de la masse de cristaux liquides, parallèlement à ces deux plaques et vis-à-vis de la première électrode, et des moyens pour appliquer une tension entre ces deux électrodes, de façon à engendrer un champ électrique parallèle aux couches de cristaux liquides et perpendiculaire à ces plaques et pour inverser la polarité de cette tension, la valeur de cette tension étant telle que l'intensité de ce champ électrique soit suffisante pour faire basculer l'axe longitudinal des molécules, dans une partie de ces couches de cristaux liquides comprise entre ces électrodes, d'une première position d'orientation à une seconde position d'orientation, par inversion du sens d'application de ce champ électrique.

9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé par le fait qu'il comprend une pluralité de premières électrodes et une pluralité de deuxièmes électrodes et que les moyens pour appliquer une tension entre les électrodes sont agencés de manière à permettre l'application sélective de la tension entre l'une des premières électrodes et l'une des deuxièmes électrodes, de façon à engendrer un champ électrique parallèle aux couches de cristaux liquides et perpendiculaire auxdi-tes plaques dans une partie des couches de molécules de cristaux liquides.

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10. Dispositif selon l'une des revendications 1, 2, 8 ou 9, caractérisé par le fait que les cristaux liquides ont au moins un premier axe optique orienté dans une première direction, lorsque l'axe longitudinal des molécules est dans la première direction d'orientation, et dans une deuxième direction, lorsque cet axe est dans la seconde position d'orientation, et par le fait que les moyens de traitement de la lumière comprennent un premier moyen pour polariser la lumière dans la première direction d'orientation de l'axe optique et un deuxième moyen pour polariser la lumière perpendiculairement à cette direction, ces deux moyens de polarisation étant disposés sur des côtés opposés de la masse de cristaux liquides.

11. Dispositif selon la revendication 2 ou la revendication 9, caractérisé par le fait que les moyens d'application du champ électrique comprennent une pluralité de premières électrodes disposées selon une direction, et une pluralité de deuxièmes électrodes disposées perpendiculairement à cette direction, ces premières électrodes étant disposées sur un côté des cristaux liquides opposé aux deuxièmes électrodes, et des moyens pour appliquer une tension de manière sélective entre l'une des premières électrodes et l'une des deuxièmes électrodes, de façon à appliquer sélectivement le champ électrique dans une partie prédéterminée de la masse de cristaux liquides.

12. Dispositif selon la revendication 8 ou la revendication 9, caractérisé par le fait que la distance entre les deux plaques n'excède pas une valeur correspondant au quintuple du pas des hélices formées par les molécules de cristaux liquides.

13. Dispositif selon la revendication 8 ou la revendication 9, caractérisé par le fait que les cristaux liquides sont constitués par le cinnamate de méthylbutyl-2-p'-aminodécyloxybenzylidène et le cinnamate de chloropropyl-2-p'-aminohexyloxybenzylidène.

14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé par le fait que les premier et second moyens d'alignement des axes longitudinaux des molécules comprennent des plaques présentant au moins une surface en verre ou en oxyde d'étain contiguë aux cristaux liquides.

15. Dispositif selon l'une des revendications 1, 2, 8 ou 9, caractérisé par le fait que les moyens d'alignement des axes des molécules comprennent des premiers sillons parallèles à la première orientation et des deuxièmes sillons parallèles à la seconde orientation.

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16. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé par le fait que les cristaux liquides ont au moins un premier axe optique orienté dans une première direction lorsque l'axe longitudinal des molécules est dans la première position d'orientation et dans une deuxième direction lorsque l'axe longitudinal des molécules est dans la seconde position d'orientation, et par le fait que les moyens d'alignement des axes des molécules, les moyens pour appliquer un champ électrique aux couches de molécules et les moyens de traitement de la lumière comprennent une première et une deuxième plaque ayant des surfaces contiguës aux cristaux liquides et munies de moyens permettant d'aligner les axes longitudinaux des molécules adjacentes à ces surfaces parallèlement à ces dernières, la première plaque comprenant des moyens pour polariser la lumière dans une troisième direction et la deuxième plaque comprenant des moyens pour polariser la lumière dans une quatrième direction, ces deux dernières directions de polarisation permettant de faire apparaître des couleurs de biréfringence dans la lumière transmise, par changement de la réorientation de l'axe optique, une première et une deuxième électrode placées, respectivement, au voisinage de la première plaque et au voisinage de la deuxième plaque, et des moyens pour appliquer une tension entre ces deux électrodes.

17. Dispositif selon l'une des revendications 1, 2, 8 ou 9, caractérisé par le fait que les cristaux liquides ont au moins un premier axe optique orienté dans une première direction lorsque l'axe longitudinal des molécules est dans la première direction d'orientation et dans une deuxième direction lorsque cet axe est dans la seconde position d'orientation, et par le fait que les moyens de traitement de la lumière comprennent un premier moyen pour polariser la lumière dans une troisième direction et un second moyen pour polariser la lumière dans une quatrième direction, ces deux dernières directions de polarisation permettant de faire apparaître des couleurs de biréfringence dans la lumière transmise, par changement de la réorientation de l'axe optique, ces moyens de polarisation étant disposés l'un par rapport à l'autre sur des côtés opposés des cristaux liquides.

18. Procédé pour la fabrication du dispositif selon la revendication 1, ce dispositif comprenant un premier et un deuxième moyen de rétention des cristaux liquides, caractérisé par le fait que l'on aligne parallèlement à ces moyens les molécules de cristal liquide qui leur sont adjacentes et que l'on supprime la formation des hélices.

19. Procédé selon la revendication 18, caractérisé par le fait que l'on dispose le premier moyen de rétention à une distance inférieure à la distance de formation des hélices, que l'on soumet les cristaux liquides à un premier refroidissement de manière à les faire passer de l'état isotropique ou nématique à l'état smectique A, que l'on effectue ensuite l'alignement des molécules de cristal liquide adjacentes auxdits moyens parallèlement à ceux-ci, que l'on oriente les cristaux liquides, au cours de la première opération de refroidissement, de manière à mettre les cristaux liquides smectiques A ainsi obtenus sous forme de couches planes perpendiculaires aux moyens de rétention des cristaux liquides, et que l'on soumet les cristaux liquides à un deuxième refroidissement de manière à les faire passer de l'état smectique A à l'état smectique C et/ou à l'état smectique H.

20. Procédé selon la revendication 19, caractérisé par le fait que l'on effectue la première opération de refroidissement de manière à faire passer les cristaux liquides à l'état smectique A à partir de l'état nématique, et par le fait que l'opération d'orientation des cristaux liquides comprend l'application d'un champ magnétique parallèlement aux moyens de rétention des cristaux liquides.

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21. Procédé selon la revendication 19, caractérisé par le fait que l'opération d'orientation des cristaux liquides comprend un déplacement du premier moyen de rétention des cristaux liquides parallèlement au deuxième moyen de rétention des cristaux liquides.