EP3218447A1 - Cellule a cristal liquide cholesterique a reflectivite augmentee - Google Patents

Cellule a cristal liquide cholesterique a reflectivite augmentee

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EP3218447A1
EP3218447A1 EP15807948.3A EP15807948A EP3218447A1 EP 3218447 A1 EP3218447 A1 EP 3218447A1 EP 15807948 A EP15807948 A EP 15807948A EP 3218447 A1 EP3218447 A1 EP 3218447A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
liquid crystal
wave plate
cholesteric liquid
substrates
cell
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15807948.3A
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German (de)
English (en)
Inventor
Laurent Dupont
Suman MANNA
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IMT Atlantique Bretagne Pays de la Loire
KNDS France SA
Original Assignee
Nexter Systems SA
IMT Atlantique Bretagne Pays de la Loire
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Filing date
Publication date
Application filed by Nexter Systems SA, IMT Atlantique Bretagne Pays de la Loire filed Critical Nexter Systems SA
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G02F2413/00—Indexing scheme related to G02F1/13363, i.e. to birefringent elements, e.g. for optical compensation, characterised by the number, position, orientation or value of the compensation plates
    • G02F2413/05—Single plate on one side of the LC cell

Definitions

  • the technical field of the invention is that of reflective cells implementing cholesteric liquid crystals.
  • Cholesteric liquid crystals have the particularity of reflecting the incident light on a part of the visible spectrum which is determined by the type of chiral doping material associated with the liquid crystal. The other part of the spectrum is transmitted.
  • the cholesteric liquid crystal cells can thus be stacked on top of each other to form polychrome cells for reflecting a color which is a combination of at least two elementary colors.
  • cholesteric color screens comprising the assembly of elementary pixels which each comprise a stack of three cholesteric cells each corresponding to a primary color (red, green or blue).
  • Each cell of each elementary pixel is electronically controllable individually to control the reflection or transparency of said cell.
  • the pixels are fixed on an absorbing black background which makes it possible to avoid the return of light that has not been filtered by a pixel cell.
  • the control or the addressing of the cells of each pixel is carried out by active matrix, by passive matrix or by direct alphanumeric addressing.
  • a display device based on cholesteric liquid crystals a device for controlling the gray level of the cell in question.
  • This device comprises an intermediate layer which has a dielectric constant which is different (lower or higher) than that of the liquid crystal.
  • the intermediate layer makes it possible to create zones within the liquid crystal in which the electric field is stronger for a given voltage.
  • Such an arrangement makes it possible to modulate the reflectivity of the cell between different gray levels. However, it does not make it possible to increase the reflectivity of the cell.
  • This cell is simple in structure and low cost. Another object of the invention is to provide such a cell, reflecting 100% of the light received and having a small footprint.
  • the half-wave plate may be made of polyethylene (PE) or polyethylene terephthalate (PET).
  • PE polyethylene
  • PET polyethylene terephthalate
  • the half-wave plate may be covered on each of its faces by a deposit of a conductive material and optically transparent, the deposits being intended to be connected to the voltage source, so that an electric field can be placed between each substrate and the half wave plate.
  • the deposit of conductive material may consist of a deposit of ITO or PDOT-PSS.
  • Figure 1 schematically shows a cholesteric cell according to the prior art.
  • Figure 2 schematically shows a cholesteric cell according to a first embodiment of the invention.
  • Figure 3 schematically shows a cholesteric cell according to a second embodiment of the invention.
  • Figure 1 shows a cholesteric cell 1 according to the prior art.
  • This cell comprises two substrates 2a and 2b which are each covered on one of their faces by an electrode 3a or 3b.
  • the transparent conductive deposits 3a, 3b will for example consist of deposits associating indium oxide (In 2 0 3 ) and tin oxide (Sn0 2 ). Such a material is commonly referred to by the acronym ITO (Indium Tin Oxide).
  • the two electrodes 3a and 3b are connected to a voltage source 5, such as an electrical generator, which applies a voltage U between the electrodes 3a and 3b, which generates an electric field E between the two substrates 2a and 2b, therefore between the two surfaces delimiting the liquid crystal 8.
  • a voltage source 5 such as an electrical generator
  • planar and focal conic states are stable states in which the material remains in the absence of a field.
  • the homeotropic (transparent) state is an unstable state that requires the presence of the electric field.
  • the material goes from the homeotropic state to the planar state (maximum reflection coefficient).
  • the right or left helicity of the cholesteric material 8 leads to the reflection (in the planar state) of the part of the light received which is polarized in the same meaning (right or left) as the helicity of the crystal. This polarization will occur, of course, for the reflectivity wavelength associated with the liquid crystal.
  • the reflectivity can not exceed 50%, which is penalizing for the visibility of the reflected image.
  • Figure 2 shows a first embodiment of the invention.
  • a half-wave plate 6 is disposed between the two substrates 2a, 2b and divides the volume 4 delimited by these substrates into two compartments 4a and 4b each enclosing a portion 8a, 8b of the same cholesteric liquid crystal material (thus having the same helicity for each part 8a, 8b).
  • the left-hand part I G of this radiation will pass through the part 8a without being reflected. It will cross the half wave plate 6 and be polarized right at the exit of this blade 6.
  • this portion of the radiation may be reflected by the portion 8b of the liquid crystal. It will then return after reflection the half wave plate 6 which will again polarize left which will allow it to cross the part 8a of the liquid crystal. Cell 1 will therefore also reflect the polarized I G portion to the left of incident radiation I.
  • the cell 1 according to the invention therefore reflects 100% of the received radiation.
  • the necessary increase in voltage is proportional to the ratio between the thickness e of the half wave plate 6 and the total thickness 2 ⁇ of the liquid crystal.
  • FIG. 3 shows another embodiment of the invention which makes it possible to greatly reduce the necessary electrical voltage, thus simplifying the realization of the addressing of the cells.
  • This embodiment differs from the previous one in that the half-wave plate 6 (which is always made in the form of a film of a polymeric material) is now covered on each of its faces by a deposit 7a and 7b of a conductive and optically transparent material.
  • the transparent conductive material may be ITO (indium oxide / tin oxide) or PDOT-PSS.
  • PDOT-PSS refers to a mixture of two polymers, poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (or PEDOT) and sodium polystyrene sulfonate (or PSS).
  • the two conductive deposits 7a and 7b are both connected to an input 57 of the voltage source 5.
  • the two electrodes 3a and 3b are both connected to another input 5 3 of the voltage source 5.
  • the voltage source 5 applies a potential difference Ua between the conductive deposit 7a and the electrode 3a and a potential difference Ub between the conductive deposit 7b and the electrode 3b.
  • the reflectivity is 100% as in the previous embodiment.
  • the latter embodiment is therefore particularly well suited to large reflective devices or to consume little energy.

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Abstract

L'invention a pour objet une cellule (1) réfléchissante comprenant au moins deux substrats (2a, 2b) recouverts d'une électrode (3a, 3b) et disposés en regard l'un de l'autre, les substrats délimitant entre eux un volume qui les sépare et qui est rempli par un matériau de type cristal liquide cholestérique, les deux électrodes étant destinées à être reliées à une source de tension (5). Cette cellule est caractérisée en ce qu'elle comporte au moins une lame demi- onde (6) disposée entre les deux substrats (2a, 2b) et divisant le volume en deux compartiments (4a, 4b) renfermant chacun une partie (8a, 8b) d'un même cristal liquide cholestérique.

Description

CELLULE A CRISTAL LIQUIDE CHOLESTERIQUE A REFLECTIVITE
AUGMENTEE Le domaine technique de l'invention est celui des cellules réfléchissantes mettant en œuvre les cristaux liquides cholestériques .
De telles cellules sont connues par exemple par le brevet WO2012/051127. Les cristaux liquides cholestériques ont la particularité de réfléchir la lumière incidente sur une partie du spectre visible qui est déterminée par le type de matériau dopant chiral associé au cristal liquide. L'autre partie du spectre est transmise.
Lorsque ces cristaux sont soumis à un champ électrique d'un certain niveau, ils changent d'état et deviennent alors totalement transparents.
Du fait de leur transparence, les cellules à cristaux liquides cholestériques peuvent ainsi être empilées les unes sur les autres pour constituer des cellules polychromes permettant de réfléchir une couleur qui est une combinaison d'au moins deux couleurs élémentaires.
Une telle structure est décrite par le brevet W098/43129 qui envisage aussi un fonctionnement dans le domaine infrarouge.
II est ainsi connu de réaliser des écrans couleurs cholestériques comprenant l'assemblage de pixels élémentaires qui comportent chacun un empilement de trois cellules cholestériques correspondant chacune à une couleur primaire (Rouge, Vert ou Bleu) . Chaque cellule de chaque pixel élémentaire est commandable électroniquement de façon individuelle pour piloter la réflexion ou la transparence de ladite cellule. Les pixels sont fixés sur un fond noir absorbant qui permet d'éviter le renvoi de la lumière qui n'aura pas été filtrée par une cellule du pixel. D'une façon classique la commande ou l'adressage des cellules de chaque pixel est réalisée par matrice active, par matrice passive ou par adressage direct alpha numérique.
Un des inconvénients des cellules à cristaux liquides cholestériques est que, pour les cristaux liquides conventionnels, seul 50% de la lumière de l'environnement est réfléchie .
Ceci est le cas pour les cristaux liquides cholestériques mettant en œuvre un matériau homogène et ayant une hélicité (droite ou gauche) donnée. Une telle propriété résulte en effet de l' hélicité du matériau qui ne réfléchit que la lumière qui est polarisée dans le même sens que l'hélicité, ce qui limite la proportion réfléchie à 50% de la lumière naturelle reçue.
II existe des matériaux associant plusieurs types d' hélicité mais ces matériaux sont plus complexes à mettre en œuvre et plus coûteux.
On connaît aussi par le brevet US2011 / 019111 un dispositif d'affichage à base de cristaux liquides cholestériques, dispositif permettant de contrôler le niveau de gris de la cellule considérée. Ce dispositif comporte une couche intermédiaire qui a une constante diélectrique qui est différente (inférieure ou supérieure) à celle du cristal liquide. La couche intermédiaire permet de créer des zones au sein du cristal liquide dans lesquelles le champ électrique est plus fort pour une tension donnée. Une telle disposition permet de moduler la réflectivité de la cellule entre différents niveaux de gris. Elle ne permet pas cependant d'augmenter la réflectivité de la cellule.
C'est le but de l'invention que de proposer une cellule à cristaux liquides cholestériques qui permet de réfléchir sensiblement 100% de la lumière reçue.
Cette cellule est de structure simple et de coût réduit . Un autre but de l'invention est de fournir une telle cellule, réfléchissant 100% de la lumière reçue et ayant un encombrement réduit .
Ainsi l'invention a pour objet une cellule réfléchissante comprenant au moins deux substrats recouverts chacun d'une électrode et disposés en regard l'un de l'autre, les substrats délimitant entre eux un volume qui les sépare et qui est rempli par un matériau de type cristal liquide cholestérique, les deux électrodes étant destinées à être reliées à une source de tension, cellule caractérisée en ce qu'elle comporte au moins une lame demi-onde disposée entre les deux substrats et divisant le volume en deux compartiments renfermant chacun une partie d'un même cristal liquide cholestérique.
Selon un mode de réalisation, la lame demi-onde pourra être constituée par un film d'un matériau polymère.
En particulier la lame demi-onde pourra être réalisée en polyéthylène (PE) ou en polyéthylène téréphtalate (PET) .
Selon un mode particulier de réalisation, la lame demi-onde pourra être recouverte sur chacune de ses faces par un dépôt d'un matériau conducteur et optiquement transparent, les dépôts étant destinés à être reliés à la source de tension, de telle sorte qu'un champ électrique puisse être mis en place entre chaque substrat et la lame demi-onde.
Le dépôt de matériau conducteur pourra être constitué par un dépôt d' ITO ou de PDOT-PSS.
L' invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre de différents modes de réalisation, description faite en référence aux dessins annexés et dans lesquels :
La figure 1 montre de façon schématique une cellule cholestérique selon l'art antérieur. La figure 2 montre de façon schématique une cellule cholestérique selon un premier mode de réalisation de l'invention.
La figure 3 montre de façon schématique une cellule cholestérique selon un second mode de réalisation de l'invention.
La figure 1 montre une cellule cholestérique 1 selon l'art antérieur. Cette cellule comporte deux substrats 2a et 2b qui sont chacun recouverts sur une de leur face par une électrode 3a ou 3b.
Les substrats pourront être des plaques de verre et chaque électrode pourra être constituée par un dépôt conducteur transparent appliqué sur la plaque de verre considérée .
Les dépôts conducteurs transparents 3a, 3b seront par exemple constitués par des dépôts associant oxyde d' indium (ln203) et oxyde d'étain (Sn02) . Un tel matériau est couramment désigné sous l'acronyme anglo-saxon ITO (Indium Tin Oxyde) .
Les substrats 2a et 2b délimitent un volume 4 dans lequel est mis en place un cristal liquide cholestérique 8 qui est donc interposé entre les deux substrats 2a et 2b.
Les deux électrodes 3a et 3b sont reliées à une source de tension 5, telle un générateur électrique, qui applique une tension U entre les électrodes 3a et 3b, ce qui engendre un champ électrique E entre les deux substrats 2a et 2b, donc entre les deux surfaces délimitant le cristal liquide 8.
Le cristal liquide cholestérique 8 est de façon classique un matériau comportant une structure macroscopique hélicoïdale de période P en l'absence de champ électrique appliqué (on parle d'état planaire du cristal) . Ce matériau comporte une phase nématique associée à un dopant chiral qui permet d'ajuster le pas P de l'hélice. La longueur d'onde qui est réfléchie par le cristal liquide 8 dépend du pas P, donc du dopant chiral utilisé.
Le cristal liquide cholestérique adopte dans son état de repos son état planaire dans lequel il est réfléchissant de la lumière ayant la longueur d'onde associée à son pas P (λ = n.P, expression dans laquelle λ est la longueur d'onde réfléchie, n est l'indice moyen du matériau et P est le pas de l'hélice) .
Lorsque la valeur du champ électrique E augmente, le cristal liquide passe de son état planaire à un état conique focale dans lequel les structures hélicoïdales sont partiellement basculées (ce qui conduit à une réflectivité plus réduite) puis à un état homéotrope dans lequel le cristal liquide s'aligne avec le champ électrique E et le matériau est alors transparent.
Les états planaires et conique focale sont des états stables dans lesquels le matériau reste en l'absence de champ. L'état homéotrope (transparent) est un état instable qui nécessite la présence du champ électrique.
Lorsque le champ électrique est coupé, le matériau passe de l'état homéotrope à l'état planaire (coefficient de réflexion maximal) .
On notera ETH la valeur du champ seuil permettant le passage de l'état conique focale à l'état homéotrope.
De nombreux documents décrivent les structures et compositions des cristaux liquides cholestériques et il n'est donc pas nécessaire de donner ici plus de détails.
On pourra par exemple se reporter au texte du brevet WO2012051127 qui décrit plusieurs cristaux liquides cholestériques et les dopants chirals associés pour différentes longueurs d'ondes visibles.
L'hélicité droite ou gauche du matériau cholestérique 8 conduit à la réflexion (dans l'état planaire) de la partie de la lumière reçue qui est polarisée dans le même sens (droit ou gauche) que l'hélicité du cristal. Cette polarisation interviendra bien entendu pour la longueur d'onde de réflectivité associée au cristal liquide.
Ainsi avec un cristal cholestérique classique, la réflectivité ne peut dépasser 50%, ce qui est pénalisant pour la visibilité de l'image réfléchie.
La figure 2 montre un premier mode de réalisation de l'invention.
Suivant ce mode une lame demi-onde 6 est disposée entre les deux substrats 2a, 2b et divise le volume 4 délimité par ces substrats en deux compartiments 4a et 4b renfermant chacun une partie 8a, 8b du même matériau cristal liquide cholestérique (donc ayant la même hélicité pour chaque partie 8a, 8b) .
La lame demi-onde 6 est constituée par un film d'un matériau polymère, par exemple de polyéthylène (PE) ou de polyéthylène téréphtalate (PET) . Cette lame 6 a une épaisseur de l'ordre d'une dizaine de micromètres.
La présence d'une lame demi-onde 6 a pour effet de transformer une polarisation circulaire droite en polarisation circulaire gauche et inversement.
Ainsi, avec un cristal cholestérique à hélicité droite, la part ID à polarisation droite du rayonnement incident I va être réfléchie par la partie 8a du cristal liquide.
La part IG à polarisation gauche de ce rayonnement va par contre traverser la partie 8a sans être réfléchie. Elle va traverser la lame demi onde 6 et se trouver polarisée à droite à la sortie de cette lame 6.
Ainsi cette part du rayonnement pourra être réfléchie par la partie 8b du cristal liquide. Elle retraversera donc après réflexion la lame demi-onde 6 qui va à nouveau la polariser à gauche ce qui lui permettra de traverser la partie 8a du cristal liquide. La cellule 1 réfléchira donc également la part IG polarisée à gauche du rayonnement incident I.
La cellule 1 selon l'invention réfléchit donc 100% du rayonnement reçu.
La présence de la lame demi-onde 6 conduit cependant à écarter les deux électrodes 3a et 3b de l'épaisseur e de la lame demi-onde 6. La tension électrique qui est nécessaire pour obtenir le champ électrique ETH de changement d'état est donc supérieure.
L'augmentation de tension nécessaire est proportionnelle au rapport entre l'épaisseur e de la lame demi-onde 6 et l'épaisseur totale 2ε du cristal liquide.
Si on considère une cellule selon l'art antérieur avec un cristal liquide cholestérique d'épaisseur 2ε=40 micromètres, et si on réalise la cellule selon l'invention avec deux parties de cristal liquide ayant chacune une épaisseur ε=20 micromètres et séparées par une lame demi-onde d'épaisseur e= 10 micromètres, la distance séparant les électrodes 3a, 3b est égale à e+2e = 50 micromètres au lieu de 40 micromètres ce qui signifie une augmentation nécessaire du niveau de la tension électrique de 25%.
Ceci peut être acceptable pour des afficheurs de dimensions modérées.
La figure 3 montre un autre mode de réalisation de l'invention qui permet de réduire fortement la tension électrique nécessaire, donc de simplifier la réalisation de l'adressage des cellules.
Ce mode de réalisation diffère du précédent en ce que la lame demi-onde 6 (qui est toujours réalisée sous la forme d'un film d'un matériau polymère) est maintenant recouverte sur chacune de ses faces par un dépôt 7a et 7b d'un matériau conducteur et optiquement transparent.
Le matériau conducteur transparent pourra être l'ITO (oxyde d' indium / oxyde d'étain) ou bien du PDOT-PSS. Le PDOT-PSS désigne un mélange de deux polymères, le poly ( 3 , 4-éthylènedioxythiophène) (ou PEDOT) et le polystyrène sulfonate de sodium (ou PSS) .
Les deux dépôts conducteurs 7a et 7b sont reliés tous les deux à une entrée 57 de la source de tension 5.
Par ailleurs les deux électrodes 3a et 3b sont toutes deux reliées à une autre entrée 53 de la source de tension 5.
Ainsi la source de tension 5 applique une différence de potentiel Ua entre le dépôt conducteur 7a et l'électrode 3a et une différence de potentiel Ub entre le dépôt conducteur 7b et l'électrode 3b .
Les différences de potentiel Ua et Ub sont égales puisque les deux électrodes 3a et 3b sont reliées entre elles et les deux dépôts conducteurs 7a et 7b sont aussi reliés entre eux.
Les épaisseurs ε des parties 8a et 8b de cristaux liquides cholestériques étant par ailleurs égales, la source de tension 5 permet d'appliquer des champs électriques Ea et Eb qui sont égaux entre chaque substrat 2a, 2b et la lame demi-onde 6, donc au niveau de chaque partie 8a et 8b des cristaux liquides cholestériques.
Ainsi, avec ce mode de réalisation, la tension nécessaire pour obtenir le champ électrique ETH de changement d'état est égale à Va = Vb = ε x ETH (ε étant l'épaisseur d'une partie 8a ou 8b ou la distance entre l'électrode 3a (respectivement 3b ) et le dépôt 7a (respectivement 7b ) ) .
L'épaisseur ε étant la moitié de l'épaisseur initiale 2ε du matériau 8 (figure 1), la tension nécessaire est donc la moitié de celle qui était nécessaire selon l'art antérieur .
Par ailleurs la réflectivité est de 100% comme dans le mode de réalisation précédent. Ce dernier mode de réalisation est donc particulièrement bien adapté aux dispositifs réflectifs de grandes dimensions ou devant consommer peu d'énergie.

Claims

REVENDICATIONS
1 - Cellule réfléchissante (1) comprenant au moins deux substrats (2a, 2b) recouverts chacun d'une électrode (3a, 3b) et disposés en regard l'un de l'autre, les substrats délimitant entre eux un volume (4) qui les sépare et qui est rempli par un matériau de type cristal liquide cholestérique, les deux électrodes étant destinées à être reliées à une source de tension (5), cellule caractérisée en ce qu'elle comporte au moins une lame demi-onde (6) disposée entre les deux substrats (2a, 2b) et divisant le volume (4) en deux compartiments (4a, 4b) renfermant chacun une partie (8a, 8b) d'un même cristal liquide cholestérique.
2 - Cellule réfléchissante selon la revendication
1, caractérisée en ce que la lame demi-onde (6) est constituée par un film d'un matériau polymère.
3 - Cellule réfléchissante selon la revendication
2, caractérisée en ce que la lame demi-onde (6) est réalisée en polyéthylène (PE) ou en polyéthylène téréphtalate (PET) .
3 - Cellule réfléchissante selon une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la lame demi- onde (6) est recouverte sur chacune de ses faces par un dépôt (7a, 7b) d'un matériau conducteur et optiquement transparent, les dépôts étant destinés à être reliés à la source de tension (5), de telle sorte qu'un champ électrique puisse être mis en place entre chaque substrat (2a, 2b) et la lame demi-onde ( 6 ) .
4 - Cellule réfléchissante selon la revendication 3, caractérisée en ce que le dépôt (7a, 7b) de matériau conducteur est constitué par un dépôt d' ITO ou de PDOT-PSS.
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