CH712212B1 - Dispositif optique comprenant deux cellules à cristal liquide superposées. - Google Patents

Dispositif optique comprenant deux cellules à cristal liquide superposées. Download PDF

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CH712212B1
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Abstract

L’invention concerne une dispositif optique comprenant une première cellule à cristal liquide (2) disposée au-dessus d’une seconde cellule à cristal liquide (4), les première et seconde cellules à cristal liquide (2, 4) comprenant chacune un substrat avant (2a, 4a) et un substrat arrière (2b, 4b) qui s’étend parallèlement à et à distance du substrat avant (2a, 4a), les substrats avant (2a, 4a) et arrière (2b, 4b) de chacune des première et seconde cellules à cristal liquide (2, 4) étant réunis entre eux au moyen d’un cadre de scellement (2c, 4c) qui délimite un volume clos pour le confinement d’une composition de cristal liquide (6), au moins une électrode (2d, 4d) étant structurée sur une face arrière (2a 1 , 4a 1 ) du substrat avant (2a, 4a) des première et seconde cellules à cristal liquide (2, 4), et au moins une contre-électrode (2e, 4e) étant structurée sur une face avant (2b 1 , 4b 1 ) du substrat arrière (2b, 4b) des première et seconde cellules à cristal liquide (2, 4), les première et seconde cellules à cristal liquide (2, 4) renfermant toutes deux la même composition de cristal liquide (6) locataire-hôte et qui comprend un cristal liquide hôte et un colorant locataire.

Description

Description
Domaine technique de l’invention [0001] La présente invention concerne un dispositif optique comprenant deux cellules à cristal liquide superposées. La présente invention concerne en particulier un dispositif du type valve optique présentant un facteur de contraste et une transmission à l’état non activé élevés.
Arrière-plan technologique de l’invention [0002] De nombreuses applications optiques mettant en œuvre des cellules à cristal liquide requièrent un facteur de contraste élevé afin d’améliorer le confort d’utilisation. Par facteur de contraste, on entend le rapport entre le taux de transmission de la lumière d’une cellule à cristal liquide à l’état inactivé ou passif, c’est-à-dire en l’absence de toute tension d’adressage appliquée aux bornes de la cellule à cristal liquide, et le taux de transmission de la lumière de la même cellule à cristal liquide à l’état activé, c’est-à-dire lorsqu’on applique une tension d’adressage aux bornes de la cellule à cristal liquide.
[0003] Les cellules à cristal liquide dont il est question ici sont des cellules comprenant un substrat avant et un substrat arrière qui s’étend parallèlement à et à distance du substrat avant, les substrats avant et arrière étant réunis entre eux par un cadre de scellement qui délimite un volume pour le confinement d’un cristal liquide. Une électrode est typiquement structurée sur une face arrière du substrat avant, tandis qu’une contre-électrode est structurée sur une face avant du substrat arrière. Par application d’une tension électrique appropriée entre l’électrode et la contre-électrode, on modifie les propriétés optiques du cristal liquide situé entre ces deux électrodes. Une cellule à cristal liquide du type valve optique a uniquement pour but de réguler la quantité de lumière qui passe à travers elle. C’est pourquoi une telle cellule ne comprend typiquement qu’une seule électrode et une contre-électrode correspondante qui ont sensiblement la même surface que celle des substrats.
[0004] Les cellules à cristal liquide du type valve optique à transmission élevée à l’état inactivé que l’on trouve sur le marché présentent, pour les plus performantes d’entre elles, un facteur de contraste de l’ordre de 3. Autrement dit, la quantité de lumière qui est transmise par une telle valve optique lorsque cette dernière est à l’état non activé ou passif est environ trois fois plus grande que la lumière qui est transmise par cette même valve optique lorsque celle-ci est à l’état activé. On cherche à améliorer le facteur de contraste ainsi que la transmission de la lumière à l’état non activé, tout en stabilisant les niveaux de gris pour augmenter le confort de l’utilisateur.

Claims (8)

  1. Résumé de l’invention [0005] La présente invention a pour but de répondre aux objectifs ci-dessus ainsi qu’à d’autres encore en procurant un dispositif optique du type valve optique qui présente un facteur de contraste sensiblement amélioré.
    [0006] A cet effet, la présente invention concerne un dispositif optique comprenant une première cellule à cristal liquide disposée au-dessus d’une seconde cellule à cristal liquide, les première et seconde cellules à cristal liquide comprenant chacune un substrat avant et un substrat arrière qui s’étend parallèlement à et à distance du substrat avant, les substrats avant et arrière de chacune des première et seconde cellules à cristal liquide étant réunis entre eux au moyen d’un cadre de scellement qui délimite un volume clos pour le confinement d’une composition de cristal liquide, au moins une électrode étant structurée sur une face arrière du substrat avant des première et seconde cellules à cristal liquide, et au moins une contre-électrode étant structurée sur une face avant du substrat arrière des première et seconde cellules à cristal liquide, les première et seconde cellules à cristal liquide renfermant toutes deux une même composition de cristal liquide qui est de type locataire-hôte et qui comprend un cristal liquide hôte et un colorant locataire.
    [0007] Selon une caractéristique complémentaire de l’invention, la composition de cristal liquide est dépourvue d’agent chiral.
    [0008] Selon une autre caractéristique de l’invention, lorsque les première et seconde cellules à cristal liquide sont à l’état passif, les molécules de cristal liquide sont alignées de manière homéotrope.
    [0009] Selon encore une autre caractéristique de l’invention, le dispositif optique est muni, à l’avant et à l’arrière, d’un film antireflet.
    [0010] Selon encore une autre caractéristique de l’invention, des espaceurs sous forme de billes sont dispersés dans le volume des première et seconde cellules à cristal liquide avec une densité de l’ordre de 200 billes/mm2.
    [0011] Selon encore une autre caractéristique de l’invention, la première cellule à cristal liquide est solidarisée sur la seconde cellule à cristal liquide via une couche d’adhésif optique transparent.
    [0012] Grâce à ces caractéristiques, la présente invention procure un dispositif optique comprenant deux cellules à cristal liquide dont les effets se conjuguent pour permettre l’obtention d’un facteur de contraste entre un état dans lequel le dispositif optique est non activé ou passif et un état dans lequel le dispositif optique est activé qui soit le plus élevé possible. A titre d’exemple, un facteur de contraste de l’ordre de 10 correspondant au rapport entre la quantité de lumière transmise par le dispositif optique lorsque les deux cellules à cristal liquide sont à l’état passif et la quantité de lumière transmise
    CH 712 212 B1 par ce même dispositif optique lorsque les deux cellules à cristal liquide sont à l’état actif a été observé avec le dispositif optique selon l’invention. Ce résultat remarquable est atteint grâce au fait que les effets des deux cellules à cristal liquide disposées l’une au-dessus de l’autre se multiplient. Ainsi, si la quantité de lumière transmise par chacune des cellules à cristal liquide à l’état passif est de l’ordre de 65 à 70%, la quantité totale de lumière transmise par le dispositif optique selon l’invention à l’état passif est d’environ 45%. En effet, si le taux de transmission de la lumière de la première cellule à cristal liquide est de 65%, cela signifie que 65% de la lumière qui pénètre dans la première cellule à cristal liquide sort de cette dernière et pénètre dans la seconde cellule à cristal liquide dont le taux de transmission est également de 65%, de sorte que la lumière qui sort finalement de la seconde cellule à cristal liquide correspond à 42% de la lumière totale qui pénètre dans le dispositif optique selon l’invention. D’autre part, on a observé que la quantité totale de lumière transmise par le dispositif optique selon l’invention était de l’ordre de 4% lorsque les deux cellules à cristal liquide étaient dans l’état actif. Autrement dit, le taux de transmission de la lumière pour chacune des deux cellules à cristal liquide était de 20% environ à l’état actif. On parvient donc à un facteur de contraste pour le dispositif optique selon l’invention qui est de l’ordre de 10, ce qui est à comparer aux taux de conversion de l’ordre de 3 que l’on observe habituellement avec une cellule à cristal liquide unique. On note également que l’utilisation d’une composition de cristal liquide de type locataire-hôte permet d’éviter l’utilisation de polariseurs, ce qui permet de ne pas nuire à la transmission de la lumière à l’état non activé.
    [0013] On notera d’autre part que le fait de renoncer à la présence d’un agent chiral dans la composition de cristal liquide, si cela est quelque peu pénalisant au niveau du contraste, permet par contre de garantir un même taux de transmission et une même couleur de la lumière transmise sur toute la surface du dispositif optique selon l’invention pour une tension d’adressage donnée. On a également remarqué que le spectre de la lumière transmise par le dispositif optique selon l’invention était sensiblement le même que les cellules à cristal liquide soient à l’état passif ou actif.
    [0014] On notera de même que l’utilisation de films antireflets sur les faces avant et arrière du dispositif optique selon l’invention permet, par suppression des réflexions parasites, d’améliorer les propriétés de transmission de ce dispositif optique notamment dans l’état non activé des cellules à cristal liquide.
    [0015] Par construction, les molécules de cristal liquide sont alignées de manière homéotrope dans l’état passif des deux cellules à cristal liquide. Le dispositif optique est donc à l’état clair lorsque les deux cellules à cristal liquide ne sont pas polarisées, et à l’état sombre dans l’état actif lorsqu’on applique une tension de polarisation, ce qui permet de réaliser des économies d’énergie.
    Brève description des figures [0016] D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront plus clairement de la description détaillée qui suit d’un exemple de réalisation du dispositif optique selon l’invention, cet exemple étant donné à titre purement illustratif et non limitatif seulement en liaison avec le dessin annexé sur lequel:
    la fig. 1 est une vue en coupe d’un dispositif optique selon l’invention comprenant une première cellule à cristal liquide disposée au-dessus d’une seconde cellule à cristal liquide;
    la fig. 2 est une vue de détail de l’une des cellules à cristal liquide qui montre l’alignement des molécules de cristal liquide selon que la cellule est à l’état actif ou passif, et la fig. 3 est un schéma qui illustre le taux de transmission de la lumière visible du dispositif optique selon l’invention selon que les première et seconde cellules à cristal liquide sont à l’état actif ou passif.
    Description détaillée d’un mode de réalisation de l’invention [0017] La présente invention procède de l’idée générale inventive qui consiste à disposer deux cellules à cristal liquide l’une au-dessus de l’autre de façon que leurs taux de transmission se multiplient et que l’on puisse parvenir à un facteur de contraste, défini comme le rapport entre le taux de transmission de la lumière des deux cellules à cristal liquide superposées à l’état passif et le taux de transmission de la lumière de ces mêmes deux cellules à cristal liquide à l’état actif, le plus élevé possible. A l’état passif, c’est-à-dire en l’absence de toute tension d’adressage, les molécules de cristal liquide sont alignées de manière homéotrope. Elles sont donc sans effet sur la lumière visible qui se propage à travers elles et le taux de transmission de la lumière est maximum. A l’état actif, c’est-à-dire lorsqu’une tension de polarisation est appliquée aux bornes des deux cellules à cristal liquide, les molécules de cristal liquide adoptent une orientation planaire. L’une des composantes de la lumière visible est donc absorbée par les cellules à cristal liquide et le taux de transmission de la lumière est minimum. Selon des caractéristiques complémentaires avantageuses de l’invention, toutes les mesures sont prises pour que l’écart entre le taux de transmission à l’état passif et le taux de transmission à l’état actif soit le plus important possible. On renonce notamment à la présence d’un agent chiral dans la composition de cristal liquide, ce qui réduit un peu le contraste mais permet par contre de garantir une transmission homogène de la lumière sur toute la surface des cellules à cristal liquide quelle que soit la tension de polarisation appliquée. De même, l’ajout de films antireflets sur la face d’entrée et la face de sortie du dispositif optique selon l’invention permet d’augmenter la quantité de lumière transmise notamment à l’état non polarisé des cellules à cristal liquide.
    CH 712 212 B1 [0018] La fig. 1 est une vue en coupe d’un dispositif optique selon un mode de réalisation de l’invention. Désigné dans son ensemble par la référence numérique générale 1, ce dispositif optique comprend une première cellule à cristal liquide 2 disposée au-dessus d’une seconde cellule à cristal liquide 4.
    [0019] La première cellule à cristal liquide 2 comprend un substrat avant 2a et un substrat arrière 2b qui s’étend parallèlement à et à distance du substrat avant 2a. Les substrats avant 2a et arrière 2b sont réunis entre eux au moyen d’un cadre de scellement 2c qui délimite un volume étanche pour le confinement d’une composition de cristal liquide 6 qui est de type locataire-hôte et qui comprend un cristal liquide hôte et un colorant locataire. Une telle composition de cristal liquide locataire-hôte est également bien connue sous sa dénomination anglo-saxonne de cristal liquide guest-host. Au moins une électrode 2d est structurée sur une face arrière 2aj du substrat avant 2a de la première cellule à cristal liquide 2, et au moins une contre-électrode 2e est structurée sur une face avant 2bj du substrat arrière 2b. On précise que c’est uniquement par convention que l’électrode 2d est dite structurée sur la face arrière 2aj du substrat avant 2a et que la contre-électrode 2e est dite structurée sur la face avant 2b, du substrat arrière 2b. L’agencement inverse est tout à fait envisageable.
    [0020] La seconde cellule à cristal liquide 4 comprend un substrat avant 4a et un substrat arrière 4b qui s’étend parallèlement à et à distance du substrat avant 4a. Les substrats avant 4a et arrière 4b sont réunis entre eux au moyen d’un cadre de scellement 4c qui délimite un volume étanche pour le confinement de la même composition de cristal liquide 6 que celle qui est emprisonnée entre les substrats avant 2a et arrière 2b de la première cellule à cristal liquide 2. Au moins une électrode 4d est structurée sur une face arrière 4a, du substrat avant 4a de la seconde cellule à cristal liquide 4, et au moins une contre-électrode 4e est structurée sur une face avant 4b, du substrat arrière 4b. On précise que c’est uniquement par convention que l’électrode 4d est dite structurée sur la face arrière 4a, du substrat avant 4a et que la contre-électrode 4e est dite structurée sur la face avant 4b, du substrat arrière 4b. L’agencement contraire est tout à fait envisageable.
    [0021] Les électrodes et les contre-électrodes des deux cellules à cristal liquide 2 et 4 sont toutes recouvertes d’une couche d’alignement 8 par exemple en polymère de type polyimide (voir fig. 2). A l’état passif, c’est-à-dire en l’absence de tension de polarisation, les molécules de la composition de cristal liquide 6 adoptent un alignement homéotrope, c’est-àdire que les axes directeurs de ces molécules s’alignent de manière perpendiculaire aux couches d’alignement 8 comme visible sur la partie gauche de la fig. 2. Ainsi, à l’état passif, la lumière incidente traverse le dispositif optique 1 formé par les première et seconde cellules à cristal liquide 2, 4 sans modification. A l’état actif, c’est-à-dire lorsqu’une tension de polarisation est appliquée entre l’électrode et la contre-électrode de chacune des deux cellules à cristal liquide 2 et 4, les molécules de la composition de cristal liquide 6 adoptent un alignement planaire, c’est-à-dire que les axes directeurs de ces molécules s’alignent de manière parallèle aux couches d’alignement 8 comme visible sur la partie droite de la fig. 2. Au centre de la fig. 2 est visible un état intermédiaire des molécules de cristal liquide par lequel les molécules transitent entre l’alignement homéotrope et l’alignement planaire. A l’état actif, la moitié de la lumière incidente est absorbée par les cellules à cristal liquide 2, 4, tandis que l’autre moitié de la lumière est transmise. La fig. 2 est une vue schématique d’une cellule à cristal liquide entrant dans la constitution d’un dispositif optique selon un mode de réalisation de l’invention et à ce titre on comprend que les trois orientations des molécules de cristal liquide (homéotrope, planaire et intermédiaire) ne peuvent pas être observées simultanément dans une telle cellule. Les molécules de cristal liquide sont alignées généralement de manière homéotrope, ou bien alignées de manière planaire, ou bien sont en train de transiter de l’alignement homéotrope vers l’alignement planaire ou inversement.
    [0022] On note que l’utilisation d’une composition de cristal liquide de type locataire-hôte permet d’éviter l’utilisation de polariseurs, ce qui réduit les pertes optiques par absorption notamment à l’état non activé.
    [0023] On note également que la première cellule à cristal liquide 2 est solidarisée sur la seconde cellule à cristal liquide 4 via une couche d’adhésif optique transparent 10. De préférence, les première et seconde cellules à cristal liquide 2 et 4 sont laminées l’une sur l’autre en les faisant passer entre des rouleaux de laminage.
    [0024] On note aussi que, selon une caractéristique complémentaire de l’invention, la composition de cristal liquide 6 est dépourvue d’agent chiral. Bien qu’un peu pénalisante au niveau du contraste, l’absence d’agent chiral permet par contre de garantir un même taux de transmission sur toute la surface du dispositif optique 1 selon l’invention pour une tension d’adressage donnée.
    [0025] Par ailleurs, comme visible sur la fig. 3 qui illustre le taux de transmission T de la lumière visible du dispositif optique 1 selon l’invention en fonction de la longueur d’onde λ de la lumière, le spectre de la lumière transmise par le dispositif optique 1 selon l’invention est sensiblement le même que les cellules à cristal liquide 2, 4 soient à l’état passif (OFF) ou actif (ON). Cette propriété très avantageuse est due à la présence du colorant locataire.
    [0026] Selon encore une autre caractéristique de l’invention, la face avant 2a2 du substrat avant 2a qui constitue la face d’entrée du dispositif optique 1 et la face arrière 4b2 du substrat arrière 4b qui constitue la face de sortie du dispositif optique 1 sont toutes les deux revêtues d’un film antireflet 12, ce qui permet de supprimer les réflexions parasites et donc d’améliorer les propriétés de transmission du dispositif optique 1.
    [0027] Selon encore une autre caractéristique de l’invention, des éléments d’espacement par exemple sous forme de billes sont dispersés dans le volume des première et seconde cellules à cristal liquide 2, 4 avec une densité de l’ordre de 200 billes/mm2.
    CH 712 212 B1 [0028] Les substrats avant et arrière 2a, 2b, 4a, 4b des première et seconde cellules à cristal liquide 2, 4 sont réalisés à l’aide d’un matériau plastique flexible.
    [0029] Il va de soi que la présente invention n’est pas limitée au mode de réalisation qui vient d’être décrit et que diverses modifications et variantes simples peuvent être envisagées par l’homme du métier sans sortir du cadre de l’invention tel que défini par les revendications annexées. On comprendra notamment que les première et seconde cellules à cristal liquide 2, 4 sont identiques et comprennent préférentiellement une unique électrode et une contre-électrode correspondante dont les dimensions correspondent sensiblement à celles des substrats. Il est ainsi possible de réaliser une fonction de valve ou masque optique. Il est néanmoins envisageable que les première et seconde cellules à cristal liquide comprennent plus d’une électrode et contre-électrode correspondante, deux par exemple.
    Nomenclature
    [0030] 1. Dispositif optique 2. Première cellule à cristal liquide 2a. Substrat avant 2ai. Face arrière du substrat avant 2a 2θ2· Face avant du substrat avant 2a 2b. Substrat arrière 2b!. Face avant du substrat arrière 2b 2c. Cadre de scellement 2d. Electrode 2e. Contre-électrode 4. Seconde cellule à cristal liquide 4a. Substrat avant 4ai. Face arrière du substrat avant 4a 4b. Substrat arrière 4bi. Face avant du substrat arrière 4b 4b2. Face arrière du substrat arrière 4b 4c. Cadre de scellement 4d. Electrode 4e. Contre-électrode 6. Composition de cristal liquide 8. Couche d’alignement 10. Couche d’adhésif optique transparent 12. Film antireflet
    Revendications
    1. Dispositif optique comprenant une première cellule à cristal liquide (2) disposée au-dessus d'une seconde cellule à cristal liquide (4), les première et seconde cellules à cristal liquide (2, 4) comprenant chacune un substrat avant (2a, 4a) et un substrat arrière (2b, 4b) qui s'étend parallèlement à et à distance du substrat avant (2a, 4a), les substrats avant (2a, 4a) et arrière (2b, 4b) de chacune des première et seconde cellules à cristal liquide (2, 4) étant réunis entre eux au moyen d'un cadre de scellement (2c, 4c) qui délimite un volume clos pour le confinement d'une composition de cristal liquide (6), au moins une électrode (2d, 4d) étant structurée sur une face arrière (2a!, 4ai) du substrat avant
    CH 712 212 B1 (2a, 4a) des première et seconde cellules à cristal liquide (2, 4), et au moins une contre-électrode (2e, 4e) étant structurée sur une face avant (2th, 4bi) du substrat arrière (2b, 4b) des première et seconde cellules à cristal liquide (2, 4), les première et seconde cellules à cristal liquide (2, 4) renfermant toutes deux la même composition de cristal liquide (6) locataire-hôte et qui comprend un cristal liquide hôte et un colorant locataire.
  2. 2. Dispositif optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la composition de cristal liquide (6) est dépourvue d'agent chiral.
  3. 3. Dispositif optique selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il est agencé pour que le spectre de la lumière transmise soit sensiblement le même que les cellules à cristal liquide (2, 4) soient à l'état non polarisé ou lorsqu'une tension de polarisation est appliquée.
  4. 4. Dispositif optique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, lorsque les première et seconde cellules à cristal liquide (2, 4) sont à l'état non polarisé, les molécules de cristal liquide sont alignées de manière homéotrope.
  5. 5. Dispositif optique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'une face avant (2a2) du substrat avant (2a) de la première cellule à cristal liquide (2) et une face arrière (4b2) du substrat arrière (4b) de la seconde cellule à cristal liquide (4) sont munies d'un film antireflet (12).
  6. 6. Dispositif optique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que des espaceurs sous forme de billes sont dispersés dans le volume des première et seconde cellules à cristal liquide (2, 4) avec une densité de l'ordre de 200 billes/mm2.
  7. 7. Dispositif optique selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la première cellule à cristal liquide (2) est solidarisée sur la seconde cellule à cristal liquide (4) via une couche d'adhésif optique transparent (10).
  8. 8. Dispositif optique selon la revendication 7, caractérisé en ce que les substrats avant et arrière (2a, 2b, 4a, 4b) des première et seconde cellules à cristal liquide (2, 4) sont réalisés au moyen d'un matériau plastique flexible.
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