EP4479354A1 - Procede de traitement de la surface d'un materiau amorphe ionique pour le controle de l'orientation de cristaux liquides, procede de fabrication de cellules a cristaux liquides a multi-domaines d'alignements - Google Patents

Procede de traitement de la surface d'un materiau amorphe ionique pour le controle de l'orientation de cristaux liquides, procede de fabrication de cellules a cristaux liquides a multi-domaines d'alignements

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EP4479354A1
EP4479354A1 EP23704809.5A EP23704809A EP4479354A1 EP 4479354 A1 EP4479354 A1 EP 4479354A1 EP 23704809 A EP23704809 A EP 23704809A EP 4479354 A1 EP4479354 A1 EP 4479354A1
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EP
European Patent Office
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amorphous material
ionic
electrode
ionic amorphous
liquid crystal
Prior art date
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Pending
Application number
EP23704809.5A
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German (de)
English (en)
Inventor
Marc DUSSAUZE
Alice GOILLOT
Alexis MAILLARD
Vincent RODRIGUEZ
Tigran Galstian
Younes MESSADEQ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Universite Laval
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Bordeaux
Institut Polytechnique de Bordeaux
Original Assignee
Universite Laval
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Bordeaux
Institut Polytechnique de Bordeaux
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Filing date
Publication date
Application filed by Universite Laval, Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Universite de Bordeaux, Institut Polytechnique de Bordeaux filed Critical Universite Laval
Publication of EP4479354A1 publication Critical patent/EP4479354A1/fr
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C23/00—Other surface treatment of glass not in the form of fibres or filaments
    • C03C23/0005—Other surface treatment of glass not in the form of fibres or filaments by irradiation
    • C03C23/006—Other surface treatment of glass not in the form of fibres or filaments by irradiation by plasma or corona discharge
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C23/00—Other surface treatment of glass not in the form of fibres or filaments
    • C03C23/007—Other surface treatment of glass not in the form of fibres or filaments by thermal treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C23/00—Other surface treatment of glass not in the form of fibres or filaments
    • C03C23/009—Poling glass
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1337—Surface-induced orientation of the liquid crystal molecules, e.g. by alignment layers
    • G02F1/133711—Surface-induced orientation of the liquid crystal molecules, e.g. by alignment layers by organic films, e.g. polymeric films
    • G02F1/133723—Polyimide, polyamide-imide
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/2406—Generating plasma using dielectric barrier discharges, i.e. with a dielectric interposed between the electrodes
    • H05H1/2439—Surface discharges, e.g. air flow control

Definitions

  • the invention relates to a method for electrically treating the surface of an ionic amorphous material, such as glass, for use in the design of a liquid crystal cell so as to control the orientation of said liquid crystals.
  • the field concerns that of liquid crystal cells and structures associated with liquid crystals for the control in particular of their orientation.
  • these polymer-treated surfaces can be associated with structured layers comprising electrodes to form a screen matrix typically defining pixels/voxels of a display.
  • These electrodes can also be associated with polarizers which can for example be configured to define light filters in particular by using the birefringence properties of liquid crystals. The electrodes make it possible to control the dynamics of the liquid crystals and their alignment and therefore the induced properties of the light passing through a cell.
  • a layer of glass can be used to constitute a transparent support for the liquid crystal cells of a matrix and thus form an external protection.
  • the invention relates to a method for treating a surface of an ionic amorphous material (AM) comprising:
  • ⁇ Generation of a surface plasma on the surface of the ionic amorphous material between at least two portions of the first electrode from the ionization of a gas located between said first surface of ionic amorphous material and different portions of the first electrode and applying a given voltage across the first electrode, said applying the voltage across the first electrode and said generating plasma being configured to modify the electrical properties of said ionic amorphous material to define at least a locally polarized zone between the different portions of the first electrode;
  • An advantage is to induce a polarization of the charges of the glass within zones which can have dimensions of several hundreds of micrometers.
  • the distance between two portions of the first electrode can be adapted according to the number of ionic charges included in the glass.
  • Another advantage is to define polarized zones according to desired electrical properties according to a given geometry.
  • the definition of polarized zones in the surface of the amorphous material makes it possible, for example, to control the orientation of liquid crystals sensitive to electric fields.
  • the proximity between the first surface of ionic amorphous material and the first geometrically structured electrode may correspond to a distance between 0 and 500 microns.
  • the portions of the first electrode are separated by a distance of less than 500 micrometers when these distances are measured in a plane parallel to the plane of the treated surface.
  • the plasma is a cold plasma or a plasma of the dielectric barrier discharge type.
  • the first electrode comprises an anode arranged in contact with or close to a first surface of the ionic amorphous material to be treated and a cathode arranged on or close to the second surface of the ionic amorphous material, said gas confined between the first surface of the ionic amorphous material and the various portions of electrodes undergoing ionization forming plasma discharges.
  • the application of a voltage to the first electrode induces a displacement of the mobile cations under the surface of the ionic amorphous material towards the cathode and a displacement of the negative charge carriers comprising electrons and/or anions towards the first surface of said ionic amorphous material, said displacement of the negative charges on the surface of the ionic amorphous material generating the plasma on the surface of the ionic amorphous material and forming a surface current whose propagation orientation is controlled in the plane of said amorphous material ion by the geometry of the anode.
  • the cathode is homogeneous in contact with the second surface of the ionic amorphous material.
  • the temperature induced by the heat source is between 150°C and 500°C.
  • the temperature induced by the heat source is between 180°C and 300°C.
  • the voltage applied to the terminals of the electrode is between 100 V and 3000 V.
  • the gas comprises nitrogen, argon or oxygen, the gas being subjected to a pressure of between 400 hPa and 2000 hPa.
  • the charge density within the ionic amorphous material, the voltage applied to the terminals of the first electrode and the charged plasma are configured to generate, for a predefined duration, displacements of negative charges in directions parallel to the plane of the surface of the amorphous material, said displacements occurring in a thickness of the surface less than 3 micrometers.
  • the anode comprises a geometry configured to define polarized regions (Zpi) on the surface of the ionic amorphous material (AM), each region being between the portions of the first electrode.
  • the anode comprises a geometry configured to define regions within which the surface currents generated at the surface of the ionic amorphous material induce the creation of a plurality of polarized zones delimited at least in part by the limits of each region, said polarized zones being created on the surface of the amorphous material.
  • the regions circumscribed by the electrode portions comprising dimensions along each of the two axes in the plane of the surface greater than 5 micrometers.
  • the anode comprises a geometry forming cells closed by linear portions of said anode in which surface currents (S(Ch-)) are generated to induce polarized zones circumscribed on the surface of the amorphous material ionic, said circumscribed polarized zones comprising dimensions along each of the two axes in the plane of the surface of the ionic amorphous material greater than 2 micrometers and being defined by a direction of polarization induced by the direction of the surface currents (S(Ch-) ).
  • the invention relates to a treated ionic amorphous material comprising at least one electrically polarized zone, said electrically polarized zone being intended to receive liquid crystals.
  • the surface of a treated ionic amorphous material of the invention is produced by means of a method of the invention.
  • the invention relates to a liquid crystal cell (SCL) characterized in that it comprises:
  • ⁇ a second surface of a material arranged so as to maintain liquid crystals in a sandwich structure, ⁇ liquid crystals oriented along the direction(s) of polarization of each polarized zone of said first surface.
  • the material having the second surface in contact with the liquid crystals comprises a multilayer structure having a first layer of polyimide material and a second layer of an amorphous material maintaining the first layer.
  • An advantage of using a polyimide layer is to homogenize the effect induced by the electrical charges of the second surface or to limit the heterogeneous effects on the alignments of the liquid crystals controlled by the first surface.
  • the second surface is a surface of an amorphous material treated according to the method of the invention, said second surface being secured to the first surface treated by means of fastening elements, the two surfaces being held between they have a constant inter-surface thickness adapted to the dimensions of the liquid crystals.
  • the distance between the two planes between the first and the second surface is between 5 and 10 micrometers.
  • the thickness of the zone located between the two surfaces in which the liquid crystals are inserted is between 5 and 100 micrometers.
  • the ionic amorphous material is an ionic glass, such as an ionic soda lime silicate glass, or a glass comprising alkaline or alkaline earth elements.
  • FIG. 1 an example of the realization of the main stages of the process for treating an ionic amorphous material for its use with liquid crystals;
  • FIG. 2 an example of a multilayer structure making it possible to create a layer of treated ionized glass and of its use in a liquid crystal cell so as to control the alignment of the liquid crystals
  • FIG. 3 an example of the formation of a surface plasma generated to polarize an ion glass used in order to use it with liquid crystal cells
  • FIG. 4 an example of an amorphous material such as a glass treated by the process of the invention comprising different zones having different polarizations.
  • Figure 1 describes the main steps of the process for treating a surface of an ionic amorphous material MA.
  • the polarized amorphous material obtained by the method of the invention is advantageously used to structure liquid crystal cells. Given the correspondence between the electrical properties of the desired polarized amorphous material and the use of a configuration obtained to induce alignments of liquid crystals, the method described below may refer to technical effects sought when said material will be used. Secondly to structure a liquid crystal cell.
  • a first step of the method of the invention comprises an arrangement AGE of the surface of ionic amorphous material MA in contact with or close to at least one geometrically structured first electrode Ai, Ci.
  • a heat source is arranged to control the temperature of the amorphous material MA.
  • the different layers thus arranged form a multilayer structure 1 represented in FIG. 2. Such an arrangement of layers allows the implementation of the method of the invention.
  • a “surface of a material” is called the geometric surface of the material and also the surface as part of the material. It is therefore considered in the rest of the description that a treatment of the surface of a material induces a treatment in a given thickness of the material. The thickness considered remaining negligible with regard to the transverse dimensions of the surface, the surface of the material denotes its transverse dimensions considered with the dimension corresponding to a thickness over a fraction of the total thickness of the material.
  • FIG. 2 describes an embodiment of an arrangement AGEi of an electrode Ai, Ci vis-à-vis a surface of an ionic amorphous material MA, such as glass, for its treatment by the process of the 'invention.
  • the arrangement AGEi represented by the multilayer structure 1 of FIG. 2 illustrates the first step of the method of the invention in which a surface of an ionic amorphous material MA is arranged for its treatment in contact with an electrode Ai, Ci.
  • the electrode Ai, Ci comprises an anode Ai and a cathode Ci.
  • the cathode Ci is arranged on one face of the ionic amorphous material MA and the anode Ai on the other face of the same ionic amorphous material MA .
  • the electrode Ai, Ci is powered by a voltage source applied within the electrode Ai, Ci is controlled by the application of an electric voltage across the terminals of the electrode 1, Ai, Ci.
  • the anode Ai and the cathode Ci or the anode Ai or the cathode Ci are parts of a flat electrode.
  • the geometry of the anode Ai is, for example, structured in the plane so as to induce desired electrical properties in the ionic amorphous material MA. It is therefore preferentially structured in a plane parallel to the plane of the surface of the ionized amorphous material MA.
  • the anode Ai is arranged on a surface portion Zi represents a section of the ionic amorphous material MA to be treated.
  • the anode A1 is maintained between the surface of the ionized amorphous material MA and a layer of a substrate SAi having no electrical property, or at least negligible vis-à-vis the properties electrical properties of the ionic amorphous material MA.
  • the layer of the substrate SAi is for example a nonionic glass forming an electrical insulator.
  • an electrode Ai, Ci having a 2D geometry makes it easier to control the surface currents in 2D. Consequently, a 2D control of the currents makes it possible to induce the formation of multi-domain liquid crystal alignments when the latter are close to the surface of the treated amorphous material.
  • This type of electrode Ai, Ci can be formed of micro-volumes delimited from each other by barriers formed of conductive materials possessing determined electrical potentials. For example, within one of these micro-volumes, the surface currents are multidirectional according to the geometry of the volume and the voltage applied and any electrically charged gas that may occupy this volume. It is therefore understood that the method of the invention makes it possible to configure and induce multi-domain polarizations according to the configuration of the micro-volumes and their distribution vis-à-vis each other.
  • the method of the invention therefore allows the formation of several alignment domains within the same micro-volume since it is possible to associate spatialized surface currents with regions to be polarized of an amorphous material. ion to induce in a second time alignments of objects sensitive to this polarization arranged close to the polarized amorphous material.
  • the geometry of the surface currents that is to say the orientation of the surface currents, can be deduced by the use of simple electrostatic models and their modeling with respect to a given geometry of electrode and the composition of the glass and the other variable parameters for the implementation of the method of the invention, namely the temperature of the material, the voltage applied, etc.
  • the voltage can be applied with a constant or variable value.
  • An applied voltage having a DC value makes it possible, for example, to obtain a first charge migration dynamics within the amorphous material and the plasma. This dynamic can for example be adjusted as a function of the duration of application of the voltage to obtain a given surface current.
  • An applied voltage having a variable value may be of interest in other use cases involving particular control of the charge migration dynamics within the amorphous material or the plasma. In the latter case, the value of the voltage can be determined and/or controlled for example by a function implemented in an electronic card controlling the voltage source at the terminals of an electrode.
  • the function can be used to generate pulses with a given frequency or according to another example the function can make it possible to generate an alternating voltage in the form of a square wave signal or a sinusoid. More generally, when a variable voltage is applied, the frequency, the amplitude and the phase of the voltage can be controlled according to a given function implemented by means of calculation and control of the voltage.
  • different voltage values are applied to the terminals of a plurality of electrodes in order to induce surface currents on the surface of the amorphous material. This possibility makes it possible to obtain polarized zones having different electrical properties depending on the zones considered.
  • the method of the invention can take into account the spatial variation of the electrical potential applied to allow control of the shapes or geometries of the surface currents generated at the surface of the ionic amorphous material MA. These shapes and/or these geometries correspond to orientations of surface currents forming parallel to the surface of the material. These shapes or geometries make it possible to induce polarizations likely to be generated within the material. These polarized zones thus induced make it possible, when using a treated material, to define different areas of alignment of the liquid crystals CL.
  • the electrode Ai, Ci is of the point or wire type.
  • One interest is to draw electrode geometries defining regions within which spatialized surface current control is configurable.
  • the width of the anode portions Ai in the plane parallel to the plane of the surface of the amorphous material MA is between 1 micrometer and 20 micrometers.
  • the distance between the anode portions Ai in the plane parallel to the plane of the surface of the amorphous material MA is between 15 micrometers and 400 micrometers.
  • An interest of the invention is to allow the control of surface electric current generated by the formation of a plasma over distances which can reach several hundreds of micrometers.
  • An interesting range is in particular comprised between 5 micrometers and 200 micrometers.
  • the structure of the anode Ai can take different shapes, they can be more or less complex geometric shapes.
  • the anode Ai can comprise a structure having a geometric ring shape, a hollow shape, a shape having a plurality of parallel straight branches and more generally any other geometric shape inscribed in a plane.
  • the geometric shape of the anode Ai may comprise a duplicated repeating pattern with the same dimension properties, such as squares of the same size spaced a certain distance apart or with different dimensions such as squares interlocking inside of a larger square and providing room for a smaller square.
  • the electrode Ai, Ci and more specifically the anode Ai in the case of the example makes it possible to define regions within which the surface currents are controlled to form electrical polarizations within the ionic amorphous material MA.
  • the anode Ai may comprise a geometric shape having at least one symmetry, such as a symmetry with respect to an axis or a symmetry of revolution.
  • the anode Ai has a geometric shape such that part of the anode Ai is obtained by a geometric transformation of another part of the anode Ai. According to an example, this transformation is a dilation.
  • this transformation is a dilation.
  • the multilayer structure 1 of FIG. 2 makes it possible to carry out a process for treating an ionic glass MA, glass being an amorphous material which is particularly advantageous for applications specific to defining liquid crystal cells.
  • a glass of the soda lime silicate glass type can be used.
  • the multilayer structure 1 of figure 2 also comprises the arrangement AGEi of a cathode Ci on the other surface of the ionic amorphous material MA.
  • This arrangement AGEi of layers in sandwich allows during the energization of the electrode Ai, Ci to make migrate the electrons or the anions in the ionic amorphous material MA.
  • an HTi layer is used to heat the surface of the ionic amorphous material MA.
  • This source comprises for example a heating plate in order to heat the surface of ionic amorphous material MA over a complete region defining the surface of the plate. Heating the surface of the ionic amorphous material MA facilitates the movement of electrons or anions within the surface of the amorphous material MA.
  • the arrangement of the heat source HT1 can be made in different ways. According to one embodiment, a hot plate can be used. According to another embodiment, a temperature can be provided by radiation by a radiating source. According to another embodiment, the multilayer structure 1 is arranged within an adiabatic chamber which allows the temperature control of the ionic amorphous material MA.
  • a second step of the method therefore comprises the application of a given temperature to the ionic amorphous material MA from a heat source HTi on a first region Zi of said ionic amorphous material MA.
  • the zone may correspond to the entire surface of the ionic amorphous material MA.
  • the temperature may vary in order to promote the movement of electrons or anions within the ionic amorphous material MA.
  • the temperature can vary within a range of temperatures preferred and must remain below the glass transition temperature of the ionic amorphous material MA.
  • a third step comprises the application APPi of a voltage across the terminals of the first electrode Ai, Ci in order to generate an intensity of electric current within the anode Ai and the cathode Ci.
  • This step is preferably carried out simultaneously with the material heating step.
  • This voltage can be controlled so as to favor the displacement of the charges within the ionic amorphous material MA.
  • the voltage application period is also set according to the given case during a given period Td. The period can be configured according to the surface currents that one wishes to generate in order to obtain a desired polarization of the MA material.
  • One of the desired aims of the arrangement AGEi of this multilayer structure 1 and of the thermoelectric configuration of the first steps of the process is the generation GENi of a surface plasma PLi at the surface of the ionic amorphous material MA between at least two portions of the anode Ai defining a micro-volume confined between these anode portions Ai.
  • the electrode is a wire electrode of the tungsten wire type with a diameter of 80 ⁇ m. This electrode is brought into contact with a soda lime silicate glass surface. The treatment is carried out at 240°C for a voltage of 1400V.
  • the example of the ionic amorphous material MA of FIG. 3 can be treated with the same configurations, namely a temperature of 240° C. and a voltage of 1400 V across the terminals of the electrode Ai, Ci.
  • the ionization of the gas in contact with the charged surface allows the formation of plasmas and surface currents causing an electrical polarization effect in the plane of the surface of the vitreous matrix.
  • the method of the invention makes it possible to define a configuration ensuring the obtaining of a surface density of charge generated sufficient during the treatment to produce a static electric field of sufficient amplitude.
  • the sufficient amplitude is defined according to the use case, such as the amplitude necessary to generate orientation or alignment of liquid crystals.
  • the process makes it possible to limit the surface charge density obtained in order to avoid damaging the ionic glass substrate.
  • Obtaining a plasma is favored by the presence of an initially neutral gas confined between said at least two portions of the anode Ai when the voltage is applied and the heat is supplied to the ionic amorphous material MA.
  • the application of voltage and heat promotes the ionization of the gas, then forming a surface plasma.
  • the invention takes advantage of a chosen structuring of the electrode, in particular of the anode A1 so as to define confined regions of large dimensions relative to the electrode portions.
  • the gas allows the formation of a plasma in which the displacement of charges from the ionic amorphous material MA is possible. This movement allows the formation of a surface current.
  • the method of the invention allows the formation of surface plasmas which allow the control over adjustable distances of the surface currents at the surface of the ionic amorphous material towards the positive electrode.
  • the regions of formation of these surface currents/plasmas define the zones electrically activated due to a polarization electricity of the material according to the direction of the currents formed.
  • a polarization electricity of the material according to the direction of the currents formed.
  • a region defined by the structuring of the electrode makes it possible to induce different zones of polarization according to the displacements of the surface currents at the surface of the amorphous material delimited by said region.
  • an electrode defining a parallelogram-shaped region makes it possible to define 4 polarization zones of triangular shape, the surface currents being oriented from the center of the region towards each branch of the parallelogram.
  • the polarization zone is defined according to a radial polarization geometry obtained thanks to surface currents oriented from the center of the circle towards the circumference of the circle.
  • the material thus modified allows for example a control of the alignment of liquid crystals as detailed below.
  • the polarization effect of the glass surface takes place on the contact zones between the grid and the glass and by the formation of surface plasmas in the micro-volumes of gas present at each interstice of the grid. There are therefore two regions which are subjected to different electrical stresses depending on the contact of the ionic amorphous material with the electrode or with the plasma.
  • a fifth parameter can be defined.
  • the fifth parameter can be defined by the properties of the gas used, in particular its composition, its pressure and the dimension of the volume of gas in contact with the electrode and the glass surface to be treated.
  • the temperature and the voltage can be stopped so as to freeze the polarization in the treated amorphous material MA'.
  • a surface plasma can be controlled at micrometric scales ranging from 5 to 500 ⁇ m.
  • the use of spatially controlled surface plasmas/currents at micrometric scales makes it possible to induce electrical polarization of the surface of an ionic glass.
  • the glass surface thus treated can then be used for applications aimed at controlling an object sensitive to static electromagnetic fields obtained by this polarization.
  • An advantage of the invention is to use this type of glass treated with liquid crystals so as to force their alignment. Thus, the invention allows the formation of multi-domain alignments of these liquid crystals.
  • the configuration of the multilayer structure 1 of FIG. 2 allows preparation of the surface of ionic glass MA by the use of surface plasmas induced by the thermoelectric treatment according to the operation described in FIG. 3.
  • One of the advantages of the invention is to use the geometry of the electrode Ai, Ci used to spatially control the directions of the surface currents of the ionic amorphous material MA.
  • the geometry of the electrode Ai, Ci can therefore be adapted according to the desired application.
  • FIG. 3 represents an ionic amorphous material MA comprising mobile cations of the alkaline or alkaline earth type.
  • the voltage at the terminals of the anode promotes the migration of electrons or anions from the ionic amorphous material MA towards the surface as the arrows Ch- represent.
  • the positive charges, the Ch+ cations migrate towards the cathode Ci.
  • the region located on the surface of the ionic amorphous material MA between two portions of anode Ai comprises a gas which, under the effect of the electromagnetic field generated locally by the electrode promotes the creation of a charged PLi surface plasma.
  • the plasma comprises electric charges created during the application of the electric field induced by the energization of the electrode Ai, Ci.
  • the plasma PLi allows a displacement of the charges within the plasma on the surface of the amorphous material in a plane parallel to the plane of the surface of the ionic amorphous material MA.
  • Plasma PLi has the effect of generating a surface current denoted S(Ch-) between the surface of the ionic amorphous material (AM) and the portions of electrode Ai.
  • FIG. 3 represents between each electrode A1 surface currents S(Ch ⁇ ) having opposite directions under the same region comprising the plasma, the arrows representing the directions of the surface currents obtained thanks to the configuration of the electrodes.
  • this plasma PLi is in particular made possible by the establishment of a zone having a sufficient dimension between the anode portions Ai.
  • at least two portions of the anode Ai are separated by a distance of between 5 micrometers and 500 micrometers.
  • the anode portions Ai are organized to form closed confinement zones having the shape of a circle, a square, a rectangle, a triangle or any other shape used depending on the desired application case.
  • FIG. 3 also represents a surface of polarized amorphous material MA′ obtained by means of the method of the invention.
  • This surface is shown in plan view vis-à-vis the sectional view of the amorphous material MA shown above.
  • This treated surface comprises alternations of zones Zpi and Zp2 which are determined as a function of the electric polarization of said zones.
  • the zones Zp2 located under the anode Ai are polarized in a first direction in the plane of the polarized amorphous material MA' and the zones Zpi located under the plasma Ai are polarized in a second direction perpendicular to the first direction and also included in the plane polarized amorphous material MA′.
  • polarizations can be obtained depending on the anode Ai used and more generally the geometry of the electrode Ai, Ci and the dimensions of the confined spaces between the anode portions Ai. In particular, it is possible to generate polarizations according to different directions within a microvolume by controlling the direction and/or the directions of the currents in the microvolume.
  • the plasma PLi thus formed on the surface of the ionic amorphous material MA makes it possible to modify the electrical properties of the latter in order to define at least one locally electrically polarized ionic zone Zi.
  • the geometry of the micro-volumes formed between the different anode portions Ai allows the control of the direction and/or the sense of the electric currents along the surface of the glass substrate, the effects of which will subsequently allow the control orientation of the liquid crystals when the substrate will be used in the design of an LC liquid crystal cell.
  • this type of substrate can then be used for the manufacture of a liquid crystal cell by dispensing with the use of a polymer film during the manufacture of a liquid crystal cell.
  • Another advantage is the open possibility to fabricate planar alignment multi-domains whose orientation axis and dimension are controlled by the processing parameters of the glass substrate.
  • FIG. 4 illustrates an effect of the multi-domain polarization of a treated amorphous material obtained between the anode portions Ai of a grid-type electrode such as that of FIG. 3.
  • the polarizations are differentiated according to the regions of shape triangular part of the micro-volumes between the traces in the form of a grid which was in contact with the electrode A1.
  • Optical microscopy observation of the amorphous material between two crossed polarizers shows that the areas having been in contact with the grid induce an orientation of the liquid crystals perpendicular to the surface of said amorphous material.
  • the zone corresponding to the interstice of the grid 4 domains of distinct planar orientations and of triangular shape Zp1 have formed.
  • the orientation of the CL liquid crystals is planar and perpendicular to the nearest gate edge.
  • the directions of each of the 4 zones Zp1 included within the same rectangular or square region delimited by the wire portions of the electrode comprise different directions.
  • the method of the invention makes it possible to control the duration of application of the surface treatment in order to obtain a desired polarization of the ionic amorphous material MA.
  • an extraction step EXTi of the ionic amorphous material MA is carried out.
  • the EXTi extraction consists of the separation of the ionic amorphous material MA from the other layers of the multilayer structure 1 of figure 1.
  • FIG. 2 represents a surface of ionic amorphous material 2 also denoted MA′ thus obtained by the method of the invention.
  • the ionic amorphous material MA' comprises two types of zones: Zpi and Zp2.
  • First zones Zpi correspond to the zones of the ionic amorphous material located between the anode portions A1. In these regions a first electrical polarization of the surface of the ionic amorphous material MA is induced by the method of the invention. Second zones Zp2 correspond to the zones of the ionic amorphous material which were situated under the anode portions A1 or which were in contact with the anode portions Ai. In these regions a second electrical polarization of the surface of the ionic amorphous material MA′ is induced by the method of the invention.
  • the surface of amorphous material MA' treated comprises a structure of induced polarized zones corresponding to the geometry of the electrode Ai, Ci.
  • An advantage of the controlled polarization of certain zones is the creation of a static electromagnetic field within the amorphous material polarized MA'. This field makes it possible to control the alignment of liquid crystals which would be brought into contact with the surface of the polarized amorphous material MA'.
  • liquid crystals whose orientation can be governed by a surface treated by the method of the invention is the family of nematic liquid crystals such as hexyl-biphenylcabonitrile.
  • a consequence of the process of the invention is the development of a direct link between the direction of the currents during the thermoelectric polarization process and the direction of alignment of the liquid crystals CL obtained on the treated surface.
  • the directions of the electric currents on the surface of the amorphous material are controlled by the configuration of the electrodes used during the method of the invention.
  • a uniform electrode near or in contact with the surface can be used.
  • the method of the invention can implement a configuration allowing the generation of currents having a majority component along the surface and perpendicular to the positive electrode in the zone of formation of plasmas of surface. In these zones, the currents induced along the surface of the glass allow a planar alignment of the liquid crystals CL in the direction directly perpendicular to the positive electrode and parallel to the surface of the glass.
  • the invention also relates to the use of such a polarized amorphous material to define liquid crystal cells.
  • An ionic glass layer thus treated allows the manufacture of a liquid crystal cell having spatially controlled planar and non-planar orientation domains.
  • the geometry of the surface currents of the treated glass controlled by means of the method of the invention allows spatial control of the directions of alignment of the LC liquid crystals in interaction with the treated surface of the polarized glass used.
  • Such a liquid crystal cell 3 is obtained and represented in FIG. 2.
  • Cell 3 is delimited by the surface of the polarized amorphous material MA′ according to the method of the invention.
  • the multilayer structure 3 of FIG. 2 comprises in this example case LC liquid crystals, said LC liquid crystals being held between two surfaces by means of a suitable geometry of said layers arranged on either side of the liquid crystals.
  • An additional layer SLG of an amorphous material noted MA2 can be used to maintain the layer of polyimide PI.
  • the multilayer structure 3 of FIG. 2 is also called liquid crystal cell SCL.
  • An advantage of the invention is to define liquid crystal cells whose orientation is governed not by the surface state of a polymer, but by a static electric field. Depending on the orientation of this static electric field, the orientation of the liquid crystals can be governed so as to favor a perpendicular alignment or an alignment parallel to the plane of the surface of polarized amorphous material MA'.
  • the surface of the polarized amorphous material MA′ is associated with elements making it possible to secure said surface with a second surface arranged in parallel.
  • the region between the two surfaces defines a reception area to receive LC liquid crystals.
  • the latter can be introduced by capillarity and be kept confined within the sandwich structure.
  • the filling of the cell can be carried out in a vacuum oven.
  • the vacuum being established, the cell is heated in order to cause the liquid crystal to pass into the isotropic phase and to obtain the filling of the cell.
  • This technique is particularly effective on small cells.
  • a pressurization technique known to those skilled in the art for filling can also be implemented.
  • the liquid crystal cell SCL comprises a second surface of an amorphous material arranged so as to maintain the liquid crystals within a sandwich structure with the first surface of the polarized amorphous material MA′.
  • the second layer comprises a first sub-layer of polyimide material PI and a second sub-layer SLG of an amorphous material MA2. In the latter case, the role of this second sub-layer is in particular to maintain the polyimide layer.
  • the second surface comprises a surface geometry adapted to form with the first surface a sandwich structure comprising an inter-surface space.
  • the inter-surface space is designed to define a suitable spacing to accommodate liquid crystals to define an LC liquid crystal cell.
  • the first surface MA' and the second surface SLG, PI can be held by means of a fastening means so as to secure the two surfaces together and to maintain a predefined distance between the two surfaces.
  • a fixing method is the use of micrometric glass beads mixed with UV glue. The mixture is thus applied, for example, to the four corners of the two surfaces to be joined. The mixtures are then cross-linked by the application of UV light.
  • the liquid crystals are introduced by capillarity between the two surfaces to be assembled and are heated so that they are in their isotropic phase. On cooling, they then pass into the nematic phase and then naturally orient themselves according to the polarization of the material of the first surface.
  • An advantage of the invention is to modify the electrical properties of a material, for example a vitreous material such as glass, with the aim of controlling the optical properties of a liquid crystal cell.
  • One advantage is to custom-functionalize a glass for given applications.
  • the invention takes advantage of the fact that liquid crystals are sensitive to electric fields.
  • An advantage is to dispense with the use of more complex solutions to control the alignments from so-called "photo-alignment" techniques.
  • the invention allows to avoid the use of a photosensitive dopant within the liquid crystals or even the use of a polymer having been treated by a surface chemistry with a photosensitive molecule which will be oriented according to the polarization of the light.
  • the method makes it simpler to produce liquid crystal cells and requires fewer components.
  • the liquid crystal cell of the invention can be associated with a system generating an electric field controlling the orientation of the main axis of the liquid crystals.
  • transparent electrodes can also be implemented to control the electric field in order to orient the crystals to manage an alignment dynamic of said crystals as for the pixels of a display.
  • the electrodes can be used to manage alignment dynamics such as alignment frequency.
  • Polarizers can be configured on either side of the liquid crystal cell to control the polarization of light passing through the liquid crystal cell.
  • the control of the electric field and of the polarizers allows different uses of the liquid crystal cell which is illuminated by a light source.
  • the liquid crystal cell is associated with crossed optical polarizers.
  • the polarized amorphous material can be a glass also serving as a support and as an external surface of the liquid crystal cell.
  • Another advantage of the invention is to propose a solution that can be implemented in the vertical alignment technologies which are increasingly used.

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Abstract

Procédé de traitement d'une surface d'un matériau amorphe ionique (MA) pour son utilisation pour la conception de cellules à cristaux liquides, ledit procédé comprenant :  Agencement de ladite surface de matériau amorphe ionique (MA) au contact d'au moins une première électrode (A1, C1) structurée géométriquement;  Application d'une température audit matériau amorphe ionique (MA);  Application d'une tension aux bornes de la première électrode (A1, C1);  Génération d'un plasma (PL1) entre deux portions de la première électrode (A1, C1) à partir de la présence d'un gaz et de l'application d'une tension donnée aux bornes de la première électrode (A1, C1), ladite application de la tension aux bornes de la première électrode (A1, C1) et ladite génération de plasma (PL1) étant configurées pour modifier les propriétés électriques dudit matériau amorphe ionique (MA) pour définir une zone (Z1) polarisée;  Extraction du matériau amorphe ionique (MA').

Description

DESCRIPTION
PROCEDE DE TRAITEMENT DE LA SURFACE D'UN MATERIAU AMORPHE IONIQUE POUR LE CONTROLE DE L'ORIENTATION DE CRISTAUX LIQUIDES, PROCEDE DE FABRICATION DE CELLULES A CRISTAUX LIQUIDES
A MULTI-DOMAINES D'ALIGNEMENTS
Domaine de l’invention
L’invention concerne une méthode pour traiter électriquement la surface d’un matériau amorphe ionique, tel que le verre, pour son utilisation dans la conception d’une cellule à cristaux liquides de manière à contrôler l’orientation desdits cristaux liquides. Le domaine concerne celui des cellules à cristaux liquides et des structures associées aux cristaux liquides pour le contrôle notamment de leur orientation.
État de la technique
Il existe différentes techniques pour contrôler les propriétés d’alignement des cristaux liquides. Généralement, une cellule à cristaux liquides est contenue en sandwich entre différentes couches permettant de maintenir les cristaux et de les contrôler, notamment leur alignement. Une solution largement répandue est basée sur l’utilisation de surfaces traitées telles que celles de polymères afin de contrôler les alignements des cristaux liquides. Ces surfaces traitées des polymères gouvernent au contact des cristaux liquides l’orientation de leur alignement. Toutefois, il est difficile d’obtenir des orientations multi-domaines dans le polymère. En effet, les techniques de traitement des polymères pour le contrôle des alignements des cristaux liquides comprennent un traitement de la surface impliquant une opération mécanique tel qu’un brossage de la surface. Cette technique ne permet pas de définir des régions dans lesquelles les propriétés électriques ou chimiques des polymères seront différenciées pour orienter les cristaux liquides selon différentes directions.
Actuellement, il existe une technique dite de photo alignement permettant de contrôler localement les alignements des cristaux liquides selon des régions du polymère délimitées. Ces techniques imposent un traitement photoélectrique du polymère par application d’une chimie de surface et d’un traitement à la lumière de la surface du polymère.
Par ailleurs, de manière conventionnelle, ces surfaces traitées de polymère peuvent être associées à des couches structurées comportant des électrodes pour former une matrice d’écran typiquement définissant des pixels/voxels d’un afficheur. Ces électrodes peuvent en outre être associées à des polariseurs pouvant par exemple être configurés pour définir des filtres de la lumière notamment en utilisant les propriétés de biréfringence des cristaux liquides. Les électrodes permettent de contrôler la dynamique des cristaux liquides et leur alignement et donc les propriétés induites de la lumière traversant une cellule.
Ces solutions permettent de contrôler les cristaux liquides au sein d’espace localisé par exemple dans des cellules. Pour cela, l’utilisation d’électrodes permet un contrôle local des alignements des cristaux liquides. Ces électrodes permettent notamment d’appliquer des champs électromagnétiques locaux et d’obtenir des effets d’orientation des cristaux liquides pour une partie seulement des cellules.
Il existe également des possibilités de contrôler l’alignement localement en utilisant des masques. Toutefois, ces solutions ont l’inconvénient d’être peu paramétrables.
De manière conventionnelle, une couche de verre peut être utilisée pour constituer un support transparent des cellules de cristaux liquides d’une matrice et ainsi former une protection extérieure.
Ces structures nécessitent une grande complexité de fabrication et de mise en œuvre. En outre, elles nécessitent de nombreux composants.
Par ailleurs, les technologies de l’art antérieur avaient l’inconvénient d’avoir des angles de visualisation faible. Pour augmenter l’angle de vue il est nécessaire de faire varier microscopiquement l’alignement. Des techniques ont été développer et récemment adaptée aux méthodes industrielles dans le but de remédier à ce défaut. Or pour l'instant celles-ci sont basées sur des dépôts locaux de polymères, ce qui est difficile à mettre en œuvre et ne permet pas d’obtenir un résultat ayant une efficacité optimale.
Résumé de l’invention Selon un aspect l’invention concerne un procédé de traitement d’une surface d’un matériau amorphe ionique (MA) comprenant :
■ Agencement de ladite première surface du matériau amorphe ionique au contact ou à proximité d’au moins une première électrode structurée géométriquement ;
■ Application d’une température audit matériau amorphe ionique à partir d’une source de chaleur sur une première zone dudit matériau amorphe ionique ;
■ Application d’une tension aux bornes de la première électrode d’une valeur prédéfinie pendant une période donnée ;
■ Génération d’un plasma de surface à la surface du matériau amorphe ionique entre au moins deux portions de la première électrode à partir de l’ionisation d’un gaz situé entre ladite première surface de matériau amorphe ionique et différentes portions de la première électrode et de l’application d’une tension donnée aux bornes de la première électrode, ladite application de la tension aux bornes de la première électrode et ladite génération de plasma étant configurées de sorte à modifier les propriétés électriques dudit matériau amorphe ionique pour définir au moins une zone polarisée localement entre les différentes portions de la première électrode ;
■ Extraction du matériau amorphe ionique traitée.
Un avantage est d’induire une polarisation des charges du verre au sein de zones pouvant avoir des dimensions de plusieurs centaines de micromètres. La distance entre deux portions de la première électrode peut être adaptée selon le nombre de charges ioniques comprises dans le verre.
Un autre avantage est de définir des zones polarisées selon des propriétés électriques souhaitées selon une géométrie donnée. La définition de zones polarisées dans la surface du matériau amorphe permet par exemple de contrôler l’orientation de cristaux liquides sensibles aux champs électriques.
La proximité entre la première surface de matériau amorphe ionique et la première électrode structurée géométriquement peut correspondre à une distance comprise entre 0 et 500 microns.
Selon un mode de réalisation, les portions de la première électrode sont séparées d’une distance inférieure à 500 micromètres lorsque ces distances sont mesurées dans un plan parallèle au plan de la surface traitée.
Selon un mode de réalisation, le plasma est un plasma froid ou un plasma de type décharge à barrière diélectrique. Un avantage est de permettre la création d’un plasma à partir d’un gaz commun et facilement accessible.
Selon un mode de réalisation, la première électrode comporte une anode agencée au contact ou à proximité d’une première surface du matériau amorphe ionique à traiter et une cathode agencée sur ou à proximité de la seconde surface du matériau amorphe ionique, ledit gaz confiné entre la première surface du matériau amorphe ionique et les différentes portions d’électrodes subissant une ionisation formant des décharges de plasma.
Selon un mode de réalisation, l’application d’une tension à la première électrode induit un déplacement des cations mobiles sous la surface du matériau amorphe ionique vers la cathode et un déplacement des porteurs de charges négatives comportant des électrons et/ou des anions vers la première surface dudit matériau amorphe ionique, ledit déplacement des charges négatives à la surface du matériau amorphe ionique générant le plasma à la surface du matériau amorphe ionique et formant un courant de surface dont l’orientation de propagation est contrôlée dans le plan dudit matériau amorphe ionique par la géométrie de l’anode.
Selon un mode de réalisation, la cathode est homogène au contact de la seconde surface du matériau amorphe ionique.
Selon un mode de réalisation, la température induite par la source de chaleur est comprise entre 150°C et 500°C.
Selon un mode de réalisation, la température induite par la source de chaleur est comprise entre 180°C et 300°C.
Selon un mode de réalisation, la tension appliquée aux bornes de l’électrode est comprise entre 100V et 3000 V.
Selon un mode de réalisation, le gaz comporte de l’azote, de l’argon ou de l’oxygène, le gaz étant soumis à pression comprise entre 400 hPa et 2000 hPa.
Selon un mode de réalisation, la densité de charge au sein du matériau amorphe ionique, la tension appliquée aux bornes de la première électrode et le plasma chargé sont configurés pour générer pendant une durée prédéfinie des déplacements des charges négatives selon des directions parallèles au plan de la surface du matériau amorphe, lesdits déplacements se produisant dans une épaisseur de la surface inférieure à 3 micromètres.
Selon un mode de réalisation, l’anode comporte une géométrie configurée pour définir des régions polarisées (Zpi) à la surface du matériau amorphe ionique (MA), chaque région étant comprise entre les portions de la première électrode.
Selon un mode de réalisation, l’anode comporte une géométrie configurée pour définir des régions au sein desquelles les courants de surfaces générés à la surface du matériau amorphe ionique induisent la création d’une pluralité de zones polarisées délimitées au moins en partie par les limites de chaque région, lesdites zones polarisées étant créées à la surface du matériau amorphe.
Selon un exemple, les régions circonscrites par les portions d’électrode comportant des dimensions selon chacun des deux axes dans le plan de la surface supérieure à 5 micromètres.
Selon un mode de réalisation, l’anode comporte une géométrie formant des cellules fermées par des portions linéaires de ladite anode dans lesquelles des courants de surface (S(Ch-)) sont générés pour induire des zones polarisées circonscrites à la surface du matériau amorphe ionique, lesdites zones polarisées circonscrites comportant des dimensions selon chacun des deux axes dans le plan de la surface du matériau amorphe ionique supérieure à 2 micromètres et étant définies par une direction de polarisation induite par la direction des courants de surface (S(Ch-)).
Selon un autre aspect, l’invention concerne un matériau amorphe ionique traité comportant au moins une zone polarisée électriquement, ladite zone polarisée électriquement étant destinée à recevoir des cristaux liquides.
Selon un mode de réalisation, la surface d’un matériau amorphe ionique traité de l’invention est réalisée au moyen d’un procédé de l’invention.
Selon un autre aspect, l’invention concerne une cellule à cristaux liquides (SCL) caractérisée en ce qu’elle comporte :
■ une première surface d’un matériau amorphe ionique traité selon le procédé de l’invention ;
■ une seconde surface d’un matériau agencée de sorte à maintenir des cristaux liquides dans une structure sandwich, ■ des cristaux liquides orientés suivant la ou les direction(s) de polarisation de chaque zone polarisée de ladite première surface.
Selon un mode de réalisation, le matériau ayant la seconde surface en contact avec les cristaux liquides comprend une structure multicouche ayant une première couche en matériau polyimide et une seconde couche d’un matériau amorphe maintenant la première couche.
Un avantage de l’utilisation d’une couche de polyimide est d’homogénéiser l’effet induit par les charges électriques de la seconde surface ou de limiter les effets hétérogènes sur les alignements des cristaux liquides contrôler par la première surface.
Selon un mode de réalisation, la seconde surface est une surface d’un matériau amorphe traité selon le procédé de l’invention, ladite seconde surface étant solidarisée à la première surface traitée au moyen d’éléments de fixation, les deux surfaces étant maintenues entre elles avec une épaisseur inter-surface constante et adaptée aux dimensions des cristaux liquides.
Selon un mode de réalisation, la distance entre les deux plans entre la première et la seconde surface est comprise entre 5 et 10 micromètres.
Selon un mode de réalisation, l’épaisseur de la zone située entre les deux surfaces dans laquelle les cristaux liquides sont insérés est comprise 5 et 100 micromètres.
Selon un mode de réalisation, le matériau amorphe ionique est un verre ionique, tel qu’un verre ionique silicate sodo calcique, ou un verre comportant des éléments alcalins ou alcalino terreux.
Brève description des figures
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description détaillée qui suit, en référence aux figures annexées, qui illustrent :
[Fig. 1 ] : un exemple de réalisation des principales étapes du procédé de traitement d’un matériau amorphe ionique pour son utilisation avec des cristaux liquides ;
[Fig. 2] : un exemple de structure multicouche permettant de créer une couche de verre ionisée traitée et de son utilisation dans une cellule à cristaux liquides de sorte à contrôler l’alignement des cristaux liquides ; [Fig. 3] : un exemple de formation d’un plasma de surface généré pour polariser un verre ionique utilisé de manière à l’utiliser avec des cellules à cristaux liquides,
[Fig. 4] : un exemple d’un matériau amorphe tel qu’un verre traité par le procédé de l’invention comportant différentes zones ayant des polarisations différentes.
Description de l’invention
Procédé
La figure 1 décrit les principales étapes du procédé de traitement d’une surface d’un matériau amorphe ionique MA. Le matériau amorphe polarisé obtenu par le procédé de l’invention est avantageusement utilisé pour structurer des cellules à cristaux liquides. Compte tenu de la correspondance entre les propriétés électrique du matériau amorphe polarisé souhaité et l’utilisation d’une configuration obtenue pour induire des alignements de cristaux liquides, le procédé décrit ci-après peut faire référence à des effets techniques recherchés lorsque ledit matériau sera utilisé dans un second temps pour structurer une cellule à cristaux liquides.
Une première étape du procédé de l’invention comprend un agencement AGE de la surface de matériau amorphe ionique MA au contact ou à proximité d’au moins une première électrode Ai, Ci structurée géométriquement. Une source de chaleur est agencée pour contrôler la température du matériau amorphe MA. Les différentes couches ainsi agencées forment une structure multicouche 1 représentée à la figure 2. Un tel agencement de couches permet la mise en œuvre du procédé de l’invention.
On appelle une « surface d’un matériau », la surface géométrique du matériau et également la surface en tant que partie du matériau. On considère donc dans la suite de la description qu’un traitement de la surface d’un matériau induit un traitement dans une épaisseur donnée du matériau. L’épaisseur considérée restante négligeable au regard des dimensions transversales de la surface, on désigne par la surface du matériau ses dimensions transversales considérées avec la dimension correspondante à une épaisseur sur une fraction de l’épaisseur totale du matériau. Électrode
La figure 2 décrit un mode de réalisation d’un agencement AGEi d’une électrode Ai, Ci vis-à-vis d’une surface d’un matériau amorphe ionique MA, tel que du verre, pour son traitement par le procédé de l’invention.
Ainsi, l’agencement AGEi représentée par la structure multicouche 1 de la figure 2 illustre la première étape du procédé de l’invention dans lequel une surface d’un matériau amorphe ionique MA est agencée pour son traitement au contact d’une électrode Ai, Ci. L’électrode Ai, Ci comprend une anode Ai et une cathode Ci. Selon un exemple, la cathode Ci est agencée sur une face du matériau amorphe ionique MA et l’anode Ai sur l’autre face du même matériau amorphe ionique MA. L’électrode Ai, Ci est alimentée par une source de tension appliquée au sein de l’électrode Ai, Ci est contrôlé par l’application d’une tension électrique aux bornes de l’électrode 1 , Ai, Ci.
Préférentiellement, l’anode Ai et la cathode Ci ou l’anode Ai ou la cathode Ci sont des parties d’une électrode plane. La géométrie de l’anode Ai est, par exemple, structurée dans le plan de manière à induire des propriétés électriques souhaitées dans le matériau amorphe ionique MA. Elle est donc préférentiellement structurée dans un plan parallèle au plan de la surface du matériau amorphe ionisé MA. Selon l’exemple de la figure 1 , l’anode Ai est agencée sur une portion de surface Zi représente une coupe du matériau amorphe ionique MA à traiter. Dans l’exemple de la figure 1 , l’anode A1 est maintenue entre la surface du matériau amorphe ionisé MA et une couche d’un substrat SAi n’ayant pas de propriété électrique, ou du moins négligeable vis-à-vis des propriétés électriques du matériau amorphe ionique MA. La couche du substrat SAi est par exemple un verre non ionique formant un isolant électrique.
Selon un mode de réalisation, une électrode Ai, Ci possédant une géométrie en 2D permet plus facilement un contrôle en 2D des courants de surface. En conséquence, un contrôle en 2D des courants permet d’induire la formation de multi-domaines d’alignements de cristaux liquides lorsque ces derniers seront à proximité de la surface du matériau amorphe traité.
Ce type d’électrode Ai, Ci peut être formé de micro-volumes délimités les uns des autres par des barrières formées de matériaux conducteurs possédant des potentiels électriques déterminés. Par exemple, au sein d’un de ces micro-volumes, les courants de surface sont multidirectionnels suivant la géométrie du volume et la tension appliquée et l’éventuel gaz chargé électriquement pouvant occuper ce volume. On comprend donc que le procédé de l’invention permet de configurer et induire des polarisations multi-domaines selon la configuration des micro-volumes et leur répartition les uns vis-à-vis des autres.
Le procédé de l’invention permet donc la formation de plusieurs domaines d’alignements au sein d’un même micro-volume dès lors qu’il est possible d’associer des courants de surface spatialisés à des régions à polariser d’un matériau amorphe ionique pour induire dans un second temps des alignements d’objets sensibles à cette polarisation agencés à proximité du matériau amorphe polarisé. La géométrie des courants de surface, c’est-à-dire l’orientation des courants de surface, peut être déduite par l’utilisation de modèles électrostatiques simples et leur modélisation vis-à-vis d’une géométrie donnée d’électrode et de la composition du verre et des autres paramètres variables pour la mise en œuvre du procédé de l’invention, à savoir la température du matériau, la tension appliquée, etc.
En effet, pour contrôler la forme des courants de surface générés à la surface du matériau amorphe ionique MA et donc des polarisations susceptibles d’être générées au sein du matériau et donc des domaines d’alignements des cristaux liquides pouvant être induits, il est possible d’appliquer des potentiels électriques différents en plusieurs régions de l’électrode Ai, Ci. Une alternative serait par exemple l’utilisation de plusieurs électrodes positives agencés selon une configuration prédéfinie.
Selon différents modes de réalisation, la tension peut être appliquée avec une valeur constante ou variable. Une tension appliquée ayant une valeur continue permet par exemple d’obtenir une première dynamique de migration des charges au sein du matériau amorphe et du plasma. Cette dynamique peut être par exemple ajustée en fonction de la durée d’application de la tension pour obtenir un courant de surface donnée. Une tension appliquée ayant une valeur variable peut avoir un intérêt dans d’autres cas d’usage impliquant une maitrise particulière de la dynamique de migration des charges au sein du matériau amorphe ou du plasma. Dans ce dernier cas, la valeur de la tension peut être déterminée et/ou commandée par exemple par une fonction implémentée dans une carte électronique pilotant la source de tension aux bornes d’une électrode. La fonction peut permettre de générer des impulsions avec une fréquence donnée ou encore selon un autre exemple la fonction peut permettre de générer une tension alternative sous la forme d’un signal en créneaux ou une sinusoïde. Plus généralement, lorsqu’une tension variable est appliquée, la fréquence, l’amplitude et la phase de la tension peut être contrôlée selon une fonction donnée mise en œuvre par des moyens de calculs et de pilotage de la tension.
Selon un mode de réalisation, différentes valeurs de tensions sont appliquées aux bornes d’une pluralité d’électrodes afin d’induire des courants de surface à la surface du matériau amorphe. Cette possibilité permet d’obtenir des zones polarisées ayant des propriétés électriques différentes selon les zones considérées.
Selon un mode de réalisation, le procédé de l’invention peut prendre en compte la variation spatiale du potentiel électrique appliqué pour permettre la maitrise des formes ou des géométries des courants de surface générés à la surface du matériau amorphe ionique MA. Ces formes et/ou ces géométries correspondent à des orientations de courants de surface se formant parallèlement à la surface du matériau. Ces formes ou géométries permettent d’induire des polarisations susceptibles d’être générées au sein du matériau. Ces zones polarisées ainsi induites permettent lors de l’utilisation d’un matériau traité de définir différents domaines d’alignements des cristaux liquides CL.
Selon un mode de réalisation, l’électrode Ai, Ci est de type point ou fil. Un intérêt est de dessiner des géométries d’électrode définissant des régions au sein desquelles un contrôle des courants de surface spatialisées est configurable.
Géométrie de l’anode
Selon un mode de réalisation, l’anode Ai forme une grille telle que représentée à la figure 2, la grille est un quadrillage dont chaque branche a une épaisseur donnée et une distance prédéfinie entre deux épaisseurs. Selon l’exemple de la figure 1 , l’épaisseur des branches de la grille de l’anode Ai est de 10 micromètres et la distance entre deux branches est de 40 micromètres.
Selon d’autres exemples, la largeur des portions d’anode Ai dans le plan parallèle au plan de la surface du matériau amorphe MA est comprise entre 1 micromètre et 20 micromètres. Selon un mode de réalisation, la distance entre les portions d’anode Ai dans le plan parallèle au plan de la surface du matériau amorphe MA est comprise entre 15 micromètres et 400 micromètres. Un intérêt de l’invention est de permettre le contrôle de courant électrique de surface généré par la formation d’un plasma sur des distances pouvant atteindre plusieurs centaines de micromètres. Une plage intéressante est notamment comprise entre 5 micromètres et 200 micromètres. Ces distances sont notamment difficiles à contrôler à partir d’électrodes car cela suppose l’utilisation de géométries d’électrodes difficile à mettre en œuvre avec un contrôle plus réduit des régions adressées du matériau amorphe ionique MA.
Selon d’autres modes de réalisation, la structure de l’anode Ai peut prendre différentes formes, il peut s’agir de formes géométriques plus ou moins complexes. Par exemple, l’anode Ai peut comprendre une structure ayant une forme géométrique d’anneau, d’une forme creuse, d’une forme ayant une pluralité de branches droites parallèles et plus généralement toute autre forme géométrique inscrite dans un plan. La forme géométrique de l’anode Ai peut comprendre un motif répétitif dupliqué avec les mêmes propriétés de dimensions, telles que des carrés de même taille espacés d’une certaine distance ou avec des dimensions différentes tels que des carrés s’imbriquant à l’intérieur d’un carré plus grand et offrant la place pour un carré plus petit.
Ainsi, l’électrode Ai, Ci et plus spécifique l’anode Ai dans le cas de l’exemple permet de définir des régions au sein desquelles les courant de surface sont maitrisés pour former des polarisations électriques au sein du matériau amorphe ionique MA.
Ainsi, l’anode Ai peut comporter une forme géométrique ayant au moins une symétrie, telle qu’une symétrie par rapport à un axe ou une symétrie de révolution. Selon un autre exemple, l’anode Ai comporte une forme géométrique telle qu’une partie de l’anode Ai est obtenue par une transformation géométrique d’une autre partie de l’anode Ai. Selon un exemple, cette transformation est une homothétie. Ainsi, il est possible de générer des formes concentriques ou imbriquées.
Un avantage de formes ayant des motifs répétitifs est qu’elles permettent d’obtenir un verre polarisé pour des applications avec des structures de cellules telles que des cellules à cristaux liquides. Ces applications sont particulièrement intéressantes notamment pour les écrans à cristaux liquides ou le design de composants optiques.
La structure multicouche 1 de la figure 2 permet de réaliser un procédé de traitement d’un verre ionique MA, le verre étant un matériau amorphe particulièrement intéressant pour les applications propres à définir des cellules à cristaux liquides. Selon un exemple un verre de type verre silicate sodo calcique peut être utilisé.
La structure multicouche 1 de la figure 2 comprend également l’agencement AGEi d’une cathode Ci sur l’autre surface du matériau amorphe ionique MA. Cet agencement AGEi de couches en sandwich permet lors de la mise sous tension de l’électrode Ai, Ci de faire migrer les électrons ou les anions dans le matériau amorphe ionique MA.
Application d’une température
Afin de faciliter ou de rendre possible la migration des électrons ou des anions dans le matériau amorphe ionique MA, une couche HTi est utilisée pour chauffer la surface du matériau amorphe ionique MA. Cette source comprend par exemple une plaque chauffante afin de chauffer la surface de matériau amorphe ionique MA sur une région complète définissant la surface de la plaque. Le chauffage de la surface du matériau amorphe ionique MA permet de faciliter le déplacement des électrons ou des anions au sein de la surface du matériau amorphe MA. L’agencement de la source de chaleur HT1 peut être réalisé de différentes manières. Selon un mode de réalisation, une plaque chauffante peut être utilisée. Selon un autre mode de réalisation, une température peut être apportée par radiation par une source rayonnante. Selon un autre mode de réalisation, la structure multicouche 1 est disposée au sein d’une enceinte adiabatique qui permet le contrôle de la température du matériau amorphe ionique MA.
Une seconde étape du procédé comprend donc l’application d’une température donnée au matériau amorphe ionique MA à partir d’une source de chaleur HTi sur une première région Zi dudit matériau amorphe ionique MA. La zone peut correspondre à la totalité de la surface du matériau amorphe ionique MA.
Selon le matériau choisi, la température peut varier afin de favoriser le déplacement des électrons ou des anions au sein du matériau amorphe ionique MA. La température peut varier selon une gamme de températures préférée et doit rester inférieure à la température de transition vitreuse du matériau amorphe ionique MA.
Application d’une tension
Une troisième étape comprend l’application APPi d’une tension aux bornes de la première électrode Ai, Ci afin de générer une intensité de courant électrique au sein de l’anode Ai et de la cathode Ci. Cette étape est réalisée de préférence simultanément à l’étape de chauffage du matériau. Cette tension peut être contrôlée de sorte à favoriser le déplacement des charges au sein du matériau amorphe ionique MA. La période d’application de la tension est également paramétrée selon le cas donné pendant une période donnée Td. La période peut être configurée selon les courants de surfaces que l’on souhaite générés afin d’obtenir une polarisation du matériau MA souhaitée.
Un des buts recherchés de l’agencement AGEi de cette structure multicouche 1 et de la configuration thermoélectrique des premières étapes du procédé est la génération GENi d’un plasma PLi de surface à la surface du matériau amorphe ionique MA entre au moins deux portions de l’anode Ai définissant un micro-volume confiné entre ces portions d’anode Ai.
Sous l’effet du champ électrique et de la température, une déplétion en alcalin et/ou alcalino terreux se forme au sein de la matrice vitreuse sur une épaisseur de quelques micromètres à la surface anodique du verre traité. Ce phénomène est aussi connu sous le nom de « poling » sur un verre dans la terminologie anglo-saxonne. La quantité de cations déplacée par ce mécanisme de séparation de charges définit la densité surfacique de charge négative induite lors du traitement. Cette densité surfacique de charge peut être contrôlée par différents paramètres, dont notamment :
■ la composition du verre et notamment sa concentration en éléments alcalins,
■ la température du traitement,
■ les valeurs de tension appliquées, et
■ les dimensions de l’électrode.
Selon un exemple, l’électrode est une électrode filaire de type fil de tungstène de diamètre 80 pm. Cette électrode est mise en contact d’une surface de verre silicate sodo calcique. Le traitement se fait à 240°C pour une tension de 1400V. L’exemple du matériau amorphe ionique MA de la figure 3 peut être traité avec les mêmes configurations à savoir une température de 240°C et une tension de 1400V aux bornes de l’électrode Ai, Ci.
Génération d’un plasma de surface
Lorsque la densité surfacique de charge est suffisante sur un domaine donné, l’ionisation du gaz en contact avec la surface chargée permet la formation de plasmas et de courants de surface à l’origine d’un effet de polarisation électrique dans le plan de la surface de la matrice vitreuse.
Le procédé de l’invention permet de définir une configuration assurant l’obtention d’une densité surfacique de charge générée suffisante lors du traitement pour produire un champ électrique statique d’une amplitude suffisante. L’amplitude suffisante est définie selon le cas d’usage, telle que l’amplitude nécessaire pour générer une orientation ou un alignement de cristaux liquides. A l’inverse, le procédé permet de limiter la densité surfacique de charge obtenue afin d’éviter d’endommage le substrat de verre ionique.
On comprend dont l’utilité de créer des géométries d’électrode définissant des micro-volumes au sein desquels il est possible de générer des courants de surface maitrisés induits par la formation de plasma de surface.
L’obtention d’un plasma est favorisée par la présence d’un gaz initialement neutre confiné entre lesdites au moins deux portions de l’anode Ai lorsque la tension est appliquée et que la chaleur est apportée au matériau amorphe ionique MA. L’application de la tension et la chaleur permettent de favoriser l’ionisation du gaz formant alors un plasma de surface.
L’invention tire un avantage d’une structuration choisie de l’électrode, notamment de l’anode A1 de sorte à définir des régions confinées de dimensions importantes relativement aux portions d’électrode. Le gaz permet la formation d’un plasma au sein duquel le déplacement des charges issues du matériau amorphe ionique MA est possible. Ce déplacement permet la formation d’un courant de surface.
Le procédé de l’invention permet la formation de plasmas de surface qui permettent le contrôle sur des distances ajustables des courants de surface à la surface du matériau amorphe ionique vers l’électrode positive.
Les régions de formation de ces courants/plasmas de surface définissent les zones activées électriquement du fait d’une polarisation électrique du matériau selon la direction des courants formés. Ainsi, dans une même région définie par la géométrie de l’électrode plusieurs zones ayant des polarisations électriques différentes peuvent être générées.
En effet, une région définie par la structuration de l’électrode permet d’induire différentes zones de polarisation selon les déplacements des courants de surface à la surface du matériau amorphe délimité par ladite région. Typiquement, une électrode définissant une région de forme de parallélogramme permet de définir 4 zones de polarisation de forme triangulaire, les courants de surface étant orientés du centre de la région vers chaque branche du parallélogramme. Si l’électrode a une forme circulaire, la zone de polarisation est définie selon une géométrie de polarisation radiale obtenue grâce à des courants de surfaces orientés du centre du cercle vers la circonférence du cercle.
Le matériau ainsi modifié permet par exemple un contrôle de l’alignement de cristaux liquides comme ci-après détaillé.
Selon l’exemple de la grille de la figure 2, l’effet de polarisation de la surface de verre se fait sur les zones de contact entre la grille et le verre et par la formation de plasmas de surface dans les micro-volumes de gaz présents à chaque interstice de la grille. Il y a donc deux régions qui sont soumises à des contraintes électriques différentes selon le contact du matériau amorphe ionique avec l’électrode ou avec le plasma.
Pour maitriser la dimension des surfaces traitées, en plus des paramètres de composition du verre, de la température, de la tension appliquée et de la géométrie de l’électrode pour le contrôle de la densité surfacique de charge, un cinquième paramètre peut être défini. Le cinquième paramètre peut être défini par les propriétés du gaz utilisé notamment sa composition, sa pression et la dimension du volume de gaz en contact avec l’électrode et la surface de verre à traiter.
Lors du traitement, de la surface du matériau amorphe ionique, la température et la tension peuvent être arrêtées de manière à figer la polarisation dans le matériau amorphe traitée MA’.
Pour un seul domaine, un plasma de surfaces peut être maitrisé à des échelles micrométriques allant de 5 à 500 pm. L’utilisation de plasmas/courants de surfaces contrôlés spatialement à des échelles micrométriques permet d’induire une polarisation électrique de la surface d’un verre ionique. La surface de verre ainsi traité peut ensuite être utilisée pour des applications visant à contrôler un objet sensible à des champs électromagnétiques statiques obtenus par cette polarisation. Un intérêt de l’invention est d’utiliser ce type de verre traité avec des cristaux liquides de manière à forcer leur alignement. Ainsi, l’invention permet la formation de multi-domaines d’alignements de ces cristaux liquides.
La configuration de la structure multicouche 1 de la figure 2 permet une préparation de la surface de verre ionique MA par l’utilisation de plasmas de surface induits par le traitement thermoélectrique selon le fonctionnement décrit à la figure 3. Un des avantages de l’invention est d’utiliser la géométrie de l’électrode Ai, Ci utilisée pour maitriser spatialement les sens des courants de surface du matériau amorphe ionique MA. La géométrie de l’électrode Ai, Ci peut donc ainsi être adaptée selon l’application souhaitée.
La figure 3 représente un matériau amorphe ionique MA comprenant des cations mobiles type alcalins ou alcalino terreux. Lors de son chauffage et de la mise sous tension de l’électrode Ai, Ci, la tension aux bornes de l’anode favorise la migration des électrons ou des anions du matériau amorphe ionique MA vers la surface comme les flèches Ch- le représentent. À l’inverse, les charges positives, les cations Ch+ migrent vers la cathode Ci. La région située à la surface du matériau amorphe ionique MA entre deux portions d’anode Ai comprend un gaz qui sous l’effet du champ électromagnétique généré localement par l’électrode favorise la création d’un plasma de surface PLi chargé. Le plasma comporte des charges électriques créées lors de l’application du champ électrique induit par la mise sous tension de l’électrode Ai, Ci. Ainsi, le plasma PLi permet un déplacement des charges au sein du plasma à la surface du matériau amorphe dans un plan parallèle au plan de la surface du matériau amorphe ionique MA. Le Plasma PLi a pour effet de générer un courant de surface noté S(Ch-) entre la surface du matériau amorphe ionique (MA) et les portions de l’électrodes Ai. La figure 3 représente entre chaque électrode A1 des courants de surface S(Ch-) ayant des directions opposées sous une même région comportant le plasma, les flèches représentant les directions des courants de surface obtenus grâce à la configuration des électrodes. Ces directions opposées expliquent notamment les formes géométriques en triangle obtenues à la figure 4 lorsqu’une électrode en forme de grille est utilisée.
La génération de ce plasma PLi est notamment rendue possible par la mise en place d’une zone ayant une dimension suffisante entre les portions d’anode Ai. Selon un exemple, au moins deux portions de l’anode Ai sont séparées d’une distance comprise entre 5 micromètres et 500 micromètres. Dans un mode de réalisation préféré les portions d’anode Ai sont organisées pour former des zones de confinement fermées ayant la forme de cercle, de carré, de rectangle, de triangle ou de toute autre forme utilisée selon le cas d’application souhaité.
La figure 3 représente également une surface de matériau amorphe polarisé MA’ obtenu au moyen du procédé de l’invention. Cette surface est représentée en vue de dessus vis-à-vis de la vue de coupe du matériau amorphe MA représenté au-dessus. Cette surface traitée comprend des alternances de zones Zpi et Zp2 qui sont déterminées en fonction de la polarisation électrique desdites zones. Les zones Zp2 situées sous l’anode Ai sont polarisées selon une première direction dans le plan du matériau amorphe polarisé MA’ et les zones Zpi situées sous le plasma Ai sont polarisées selon une seconde direction perpendiculaire à la première direction et comprise également dans le plan du matériau amorphe polarisé MA’. D’autres types de polarisations peuvent être obtenues selon l’anode Ai utilisée et plus généralement la géométrie de l’électrode Ai, Ci et des dimensions des espaces confinés entre les portions d’anode Ai. Notamment, il est possible de générer des polarisations selon différentes directions au sein d’un microvolume en maîtrisant le sens et/ou les directions des courants dans le microvolume.
Le plasma PLi ainsi formé à la surface du matériau amorphe ionique MA permet de modifier les propriétés électriques de ce dernier pour définir au moins une zone ionique Zi polarisée électriquement localement.
Ainsi, la géométrie des micro-volumes formés entre les différentes portions d’anode Ai permet le contrôle de la direction et/ou le sens des courants électriques le long de la surface du substrat de verre dont les effets permettront dans un second temps le contrôle de l’orientation des cristaux liquides lorsque le substrat sera utilisé dans la conception d’une cellule à cristaux liquides LC. Ainsi, ce type de substrat peut alors être utilisé pour la fabrication d’une cellule à cristaux liquides en s’affranchissant de l’utilisation d’un film de polymère lors de la fabrication d’une cellule à cristaux liquides.
Un autre avantage est la possibilité ouverte de fabriquer des multi- domaines d’alignement planaires dont l’axe d’orientation et la dimension sont contrôlés par les paramètres du traitement du substrat de verre.
La figure 4 illustre un effet de la polarisation multi-domaines d’un matériau amorphe traité obtenu entre les portions d’anode Ai d’une électrode de type grille telle que celle de la figure 3. Les polarisations sont différenciées selon les régions de forme triangulaire s’inscrivant dans les micro-volumes entre les traces en forme de grille qui était en contact de l’électrode A1 .
L’observation en microscopie optique du matériau amorphe entre deux polariseurs croisés montre que les zones ayant été en contact avec la grille induisent une orientation des cristaux liquides perpendiculaire à la surface dudit matériau amorphe. Dans la zone correspondant à l’interstice de la grille, il s’est formé 4 domaines d’orientions planaires distincts et de forme triangulaire Zp1 . Dans chacun de ces quatre domaines de forme triangulaire Zp1 , l’orientation des cristaux liquides CL est planaire et perpendiculaire au bord de la grille le plus proche. Les directions de chacune des 4 zones Zp1 comprise au sein d’une même région rectangulaire ou carré délimitée par les portions filaires de l’électrode comprend des directions différentes.
Le procédé de l’invention permet de contrôler la durée d’application du traitement de surface afin d’obtenir une polarisation souhaitée du matériau amorphe ionique MA. Lorsque le traitement est terminé, une étape d’extraction EXTi du matériau amorphe ionique MA est réalisée. L’extraction EXTi consiste en la séparation du matériau amorphe ionique MA des autres couches de la structure multicouche 1 de la figure 1 .
La figure 2 représente une surface de matériau amorphe ionique 2 également noté MA’ ainsi obtenu par le procédé de l’invention. Le matériau amorphe ionique MA’ comprend deux types de zones : Zpi et Zp2.
Des premières zones Zpi correspondent aux zones du matériau amorphes ioniques situées entre les portions d’anode A1. Dans ces régions une première polarisation électrique de la surface du matériau amorphe ionique MA est induite par le procédé de l’invention. Des secondes zones Zp2 correspondent aux zones du matériau amorphes ioniques qui étaient situées sous les portions d’anode A1 ou qui étaient au contact des portions d’anode Ai. Dans ces régions une seconde polarisation électrique de la surface du matériau amorphe ionique MA’ est induite par le procédé de l’invention.
Utilisation pour définir des cellules à cristaux liquides
La surface de matériau amorphe MA’ traitée comprend une structuration de zones polarisées induites correspondant à la géométrie de l’électrode Ai, Ci. Un avantage de la polarisation contrôlée de certaines zones est la création d’un champ électromagnétique statique au sein du matériau amorphe polarisé MA’. Ce champ permet de contrôler l’alignement de cristaux liquides qui seraient mis en contact avec la surface du matériau amorphe polarisé MA’.
Un exemple de cristaux liquides dont l’orientation peut être gouverné par une surface traitée par le procédé de l’invention est la famille des cristaux liquides nématiques tel que l’hexyl-biphénylcabonitrile.
En effet, une conséquence du procédé de l’invention est l’élaboration d’un lien direct entre le sens des courants lors du procédé de polarisation thermoélectrique et la direction d’alignement des cristaux liquides CL obtenus à la surface traitée. Les sens des courants électriques à la surface du matériau amorphe sont maitrisés par la configuration des électrodes utilisées lors du procédé de l’invention.
Pour obtenir une orientation homéotrope perpendiculaire à la surface des cristaux liquides CL, une électrode uniforme proche ou en contact avec la surface peut être utilisée.
Pour une orientation planaire des cristaux liquides CL, le procédé de l’invention peut mettre en œuvre une configuration permettant la génération de courants ayant une composante majoritaire le long de la surface et perpendiculaire à l’électrode positive dans la zone de formation de plasmas de surface. Dans ces zones les courants induits le long de la surface du verre permettent un alignement planaire des cristaux liquides CL suivant la direction directement perpendiculaire à l’électrode positive et parallèle à la surface du verre.
L’invention concerne également l’utilisation d’un tel matériau amorphe polarisé pour définir des cellules à cristaux liquides. Une couche de verre ionique ainsi traitée permet la fabrication d’une cellule à cristaux liquides présentant des domaines d’orientation planaires et non planaires contrôlés spatialement. La géométrie des courants de surface du verre traité contrôlés au moyen du procédé de l’invention permet une maitrise spatiale des directions d’alignement des cristaux liquides LC en interaction avec la surface traitée du verre polarisé utilisé.
Une telle cellule à cristaux liquides 3 est obtenue et représentée à la figure 2. La cellule 3 est délimitée par la surface du matériau amorphe polarisée MA’ selon le procédé de l’invention.
La structure multicouche 3 de la figure 2 comprend dans ce cas d’exemple des cristaux liquides LC, lesdits cristaux liquides LC étant maintenus entre deux surfaces au moyen d’une géométrie adaptée desdites couches disposées de part et d’autre des cristaux liquides. Une première couche d’un matériau amorphe polarisé MA’ et une seconde une couche en matériau polyimide PI. Une couche supplémentaire SLG d’un matériau amorphe noté MA2 peut être utilisée pour maintenir la couche de polyimide PI.
La structure multicouche 3 de la figure 2 est également appelée cellule à cristaux liquides SCL.
Un intérêt de l’invention est de définir des cellules à cristaux liquides dont l’orientation est gouvernée non pas par l’état de surface d’un polymère, mais par un champ électrique statique. Selon l’orientation de ce champ électrique statique, l’orientation des cristaux liquides peut être gouvernée de sorte à favoriser un alignement perpendiculaire ou un alignement parallèle au plan de la surface de matériau amorphe polarisé MA’.
Selon un mode de réalisation, la surface du matériau amorphe polarisée MA’ est associée avec des éléments permettant de solidariser ladite surface avec une seconde surface agencée parallèlement. La région entre les deux surfaces définie une zone d’accueil pour recevoir des cristaux liquides LC. Ces derniers peuvent être introduits par capillarité et être maintenus confinés au sein de la structure sandwich.
Dans le cas où les deux surfaces définissent une cellule à cristaux liquides, le remplissage de la cellule peut être réalisée dans une étuve à vide. Le vide étant établi, on chauffe la cellule afin de faire passer le cristal liquide en phase isotrope et obtenir le remplissage de la cellule. Cette technique est notamment efficace sur des cellules de petites tailles. Pour des cellules de plus grandes tailles, une technique de pressurisation connue de l’homme de l’art pour le remplissage peut également être mise en œuvre.
Selon un mode de réalisation, la cellule à cristaux liquides SCL comporte une seconde surface d’un matériau amorphe agencée de sorte à maintenir les cristaux liquides au sein d’une structure sandwich avec la première surface du matériau amorphe polarisé MA’. Selon un exemple, la seconde couche comprend une première sous-couche en matériau polyimide PI et une seconde sous-couche SLG d’un matériau amorphe MA2. Dans ce dernier cas, le rôle de cette seconde sous-couche est notamment de maintenir la couche de polyimide.
Selon un mode de réalisation, la seconde surface comporte une géométrie de surface adaptée à former avec la première surface une structure sandwich comportant un espace inter-surface. L’espace inter-surface est conçu pour définir un espacement adapté à accueillir des cristaux liquides afin de définir une cellule à cristaux liquides LC.
La première surface MA’ et la seconde surface SLG, PI peuvent être maintenues grâce à un moyen de fixation de sorte à solidariser les deux surfaces entre elles et à maintenir une distance prédéfinie entre les deux surfaces. Un exemple de moyen de fixation est l’utilisation de billes micrométriques de verre mélangées avec une colle UV. Le mélange est ainsi appliqué, par exemple, aux quatre coins des deux surfaces à assembler. Les mélanges sont ensuite réticulés par l’application d’une lumière UV. Selon cet exemple, les cristaux liquides sont introduits par capillarité entre les deux surfaces à assembler et sont chauffés de manière à ce qu’ils soient dans leur phase isotrope. En refroidissant, ils passent alors dans la phase nématique et s’orientent alors naturellement selon la polarisation du matériau de la première surface.
Un avantage de l’invention est de modifier les propriétés électriques d’un matériau, par exemple un matériau vitreux tel que du verre, dans l’objectif de contrôler les propriétés optiques d’une cellule à cristaux liquides. Un intérêt est de fonctionnaliser à façon un verre pour des applications données.
L’invention tire un avantage du fait que les cristaux liquides sont sensibles aux champs électriques. Un avantage est de s’affranchir de l’utilisation de solutions plus complexes pour contrôler les alignements à partir de techniques dites de "photo-alignements ». Par exemple, l’invention permet d’éviter l’utilisation d’un dopant photosensible au sein des cristaux liquides ou encore l’utilisation d’un polymère ayant été traité par une chimie de surface avec une molécule photosensible qui va s’orienter selon la polarisation de la lumière.
Le procédé rend plus simple la réalisation de cellules à cristaux liquides et nécessite moins de composants.
La cellule à cristaux liquides de l’invention peut être associée à un système générant un champ électrique contrôlant l’orientation de l’axe principal des cristaux liquides. Selon un exemple, des électrodes transparentes peuvent également être mises en œuvre pour contrôler le champ électrique afin d’orienter les cristaux pour gérer une dynamique d’alignement desdits cristaux comme pour les pixels d’un afficheur. Les électrodes peuvent être utilisées pour gérer une dynamique d’alignement telles qu’une fréquence d’alignement.
Des polariseurs peuvent être configurés de part et d’autre de la cellule à cristaux liquides afin de contrôler la polarisation de la lumière traversant la cellule à cristaux liquides. Ainsi, le contrôle du champ électrique et des polariseurs permet différents usages de la cellule à cristaux liquides qui est éclairé par une source lumineuse.
Selon un mode de réalisation, la cellule à cristaux liquides est associée à des polariseurs optiques croisés.
Le matériau amorphe polarisé peut être un verre servant également de support et de surface externe de la cellule à cristaux liquides.
Un autre avantage de l’invention est de proposer une solution pouvant être mise en œuvre dans les technologies à alignement vertical qui sont de plus en plus utilisées.

Claims

REVENDICATIONS Procédé de traitement d’une première surface d’un matériau amorphe ionique (MA) comprenant :
■ Agencement (AGEi) de ladite première surface du matériau amorphe ionique (MA) au contact ou à proximité d’au moins une première électrode (Ai, Ci) structurée géométriquement ;
■ Application (APPi) d’une température audit matériau amorphe ionique (MA) à partir d’une source de chaleur (HTi) sur une première zone (Zi) dudit matériau amorphe ionique (MA) ;
■ Application (APP2) d’une tension aux bornes de la première électrode (Ai, Ci) d’une valeur prédéfinie pendant une période donnée (Td) ;
■ Génération (GEN1) d’un plasma (PL1) à la surface du matériau amorphe ionique (MA) à partir de l’ionisation d’un gaz situé entre ladite première surface de matériau amorphe ionique et différentes portions de la première électrode (Ai, Ci) et de l’application d’une tension donnée aux bornes de la première électrode (Ai, Ci), ladite application (APP1) de la tension aux bornes de la première électrode (Ai, Ci) et ladite génération (GEN1) de plasma (PL1) étant configurées de sorte à modifier les propriétés électriques de surface dudit matériau amorphe ionique (MA) pour définir au moins une zone de la surface (Zpi) polarisée localement entre les différentes portions de la première électrode (Ai, Ci) ;
■ Extraction (EXT1) du matériau amorphe ionique (MA’) traitée ;
Ledit matériau amorphe ionique polarisé (MA) étant utilisé pour définir une cellule à cristaux liquides. Procédé de traitement d’une surface d’un matériau amorphe ionique (MA) selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdites portions de la première électrode (Ai, Ci) étant séparées d’une distance inférieure à 500 micromètres. Procédé de traitement d’une surface d’un matériau amorphe ionique (MA) selon l’une quelconque des revendications 1 à 2 caractérisé en ce que le plasma est un plasma froid ou un plasma de type décharge à barrière diélectrique. Procédé de traitement d’une surface d’un matériau amorphe ionique (MA) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que la première électrode (Ai, Ci) comporte une anode (Ai) agencée au contact ou à proximité d’une première surface du matériau amorphe ionique (MA) à traiter et une cathode (Ci) agencée sur ou à proximité de la seconde surface du matériau amorphe ionique (MA), ledit gaz confiné entre la première surface du matériau amorphe ionique (MA) et les différentes portions d’électrodes (Ai, Ci) subissant une ionisation formant des décharges de plasma. Procédé de traitement d’une surface d’un matériau amorphe ionique (MA) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que l’application d’une tension à la première électrode (Ai, Ci) induit un déplacement des cations mobiles sous la surface du matériau amorphe ionique (MA) vers la cathode et un déplacement des porteurs de charges négatives comportant des électrons et/ou des anions vers la première surface dudit matériau amorphe ionique (MA), ledit déplacement des charges négatives à la surface du matériau amorphe ionique (MA) générant le plasma (PL1 ) à la surface du matériau amorphe ionique (MA) et formant un courant de surface (S(Ch-)) dont l’orientation de propagation est contrôlée dans le plan dudit matériau amorphe ionique (MA) par la géométrie de l’anode (Ai). Procédé de traitement d’une surface d’un matériau amorphe ionique (MA) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que la densité de charge au sein du matériau amorphe ionique (MA) et la tension appliquée aux bornes de la première électrode (Ai, Ci) sont configurées pour générer pendant une durée prédéfinie des déplacements des charges négatives (S(Ch-)) selon des directions parallèles au plan de la surface du matériau amorphe, lesdits déplacements se produisant dans une épaisseur de la surface inférieure à 3 micromètres. Procédé de traitement d’une surface d’un matériau amorphe ionique (MA) selon l’une quelconque des revendications 5 à 6 caractérisé en ce que l’anode (Ai) comporte une géométrie configurée pour définir des régions au sein desquelles les courants de surfaces générés à la surface du matériau amorphe ionique (MA) induisent la création d’une pluralité de zones polarisées délimitées au moins en partie par les limites de chaque région définie par la géométrie de l’anode (A-i), lesdites zones polarisées étant créées à la surface du matériau amorphe (MA). Procédé de traitement d’une surface d’un matériau amorphe ionique (MA) selon l’une quelconque des revendications 5 à 7 caractérisé en ce que l’anode (Ai) comporte une géométrie formant des cellules fermées par des portions linéaires de ladite anode (Ai) dans lesquelles des courants de surface (S(Ch-)) sont générés pour induire des zones polarisées circonscrites (Zpi) à la surface du matériau amorphe ionique (MA), lesdites zones polarisées circonscrites (ZpQ comportant des dimensions selon chacun des deux axes dans le plan de la surface du matériau amorphe ionique (MA) supérieure à 2 micromètres et étant définies par une direction de polarisation induite par la direction des courants de surface (S(Ch-)). Matériau amorphe ionique traité (MA’) caractérisé en ce qu’il comporte au moins une zone polarisée (Zi) électriquement, ladite zone polarisée (Zi) électriquement étant destinée à recevoir des cristaux liquides (CLi). Matériau amorphe ionique traité (MA’) caractérisé en ce que ledit matériau est réalisé au moyen d’un procédé de l’une quelconque des revendications 1 à 8. Cellule à cristaux liquides (SCL) caractérisée en ce qu’elle comporte :
■ une première surface d’un matériau amorphe ionique traité (MA’) selon l’une quelconque des revendications 9 à 10 ; ■ une seconde surface d’un matériau agencée de sorte à maintenir des cristaux liquides dans une structure sandwich,
■ des cristaux liquides orientés suivant la ou les direction(s) de polarisation de chaque zone polarisée (Zi) de ladite première surface. Cellule à cristaux liquides (SCL) selon la revendication 11 caractérisée en ce que le matériau ayant la seconde surface en contact avec les cristaux liquides comprend une structure multicouche ayant une première couche en matériau polyimide et une seconde couche d’un matériau amorphe maintenant la première couche. Cellule à cristaux liquides (SCL) selon la revendication 12 caractérisée en ce que la seconde surface est une surface d’un matériau amorphe (MA2) selon l’une quelconque des revendications 9 à 10, ladite seconde surface étant solidarisée à la première surface traitée (MA’) au moyen d’éléments de fixation, les deux surfaces étant maintenues entre elles avec une épaisseur inter-surface constante et adaptée aux dimensions des cristaux liquides. Cellule à cristaux liquides (SCL) selon l’une quelconque des revendications 11 à 13 caractérisée en ce que le matériau amorphe ionique (Ma) est un verre ionique, tel qu’un verre ionique silicate sodo calcique, ou un verre comportant des éléments alcalins ou alcalino terreux.
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