FR2476861A1 - Dispositif electro-optique utilisant un cristal liquide presentant une mesophase disquotique et procede d'orientation des molecules de ce cristal liquide - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN DISPOSITIF ELECTRO-OPTIQUE UTILISANT LA SENSIBILITE AU CHAMP ELECTRIQUE DE MOLECULES EN FORME DE DISQUE (MELANGE DE DERIVES HEXASUBSTITUES DU TRIPHENYLENE) PRESENTANT UNE MESOPHASE A ANISOTROPIE POSITIVE. LE DISPOSITIF SELON L'INVENTION PEUT ETRE SOIT DU TYPE A BIREFRINGENCE VARIABLE, LORSQUE LES MOLECULES DE CRISTAL LIQUIDE ONT LEUR AXES OPTIQUES PARALLELES ENTRE EUX ET PARALLELES AUX PAROIS D'UNE CELLULE DE VISUALISATION, SOIT DU TYPE A POUVOIR ROTATOIRE VARIABLE SOUS L'EFFET D'UN CHAMP ELECTRIQUE, LORSQU'ON REALISE UN ARRANGEMENT DU TYPE EN HELICE, SOIT ENFIN, SOUS L'EFFET D'UN CHAMP ASSEZ FORT, DU TYPE A DIFFUSION DYNAMIQUE DE LA LUMIERE. APPLICATION A DES CELLULES DE VISUALISATION ANALOGUES A CELLES QUI SONT REALISABLES AVEC DES CRISTAUX LIQUIDES A ANISOTROPIE POSITIVE.

Description

L'invention concerne un dispositif électro-optique, par exemple une cellule de visualisation, dans lequel on utilise pour produire un effet optique au moyen dune commande électrique, un cristal liquide ou un mélange de cristaux liquides d'un nouveau type, présentant une mésophase dite "disquotique".

On saisi que les cristaux liquides utilisés jusqutà maintenant sont soit des cristaux liquides nématiques ou cholestériques, soit des cristaux liquides smectiques. Ces produits sont constitués par des molécules longues dites aussi en batonnets (rod like en anglais). On trouvera des exemples de ces molécules dans les demandes de brevets français n 73.42.293 (du 28.11.73), n 74.20.714 (du 14.06.74), no 75.00.179 (du 10.01.75), n 76.09.884 (du 06.04.76) déposées par la demanderesse ou bien encore dans l'article 9'Nouveaux matériaux mésomorphes et applications'e, par J.C. DUBOIS dans "Annales de Physique", année 1978, volume 3, page 131.

On connait également la constitution des cellules électro-optiques utilisant ces molécules en forme de batonnets, nématiques, smectiques Qu cholestériques dont on trouvera une revue par exemple dans des articles tels que "Etudes sur les applications à la visualisation des cristaux liquides, les tendances" par M. HARENG et S. LE BERRE, Annales de Physique, année 1978, volume 3, page 317, ou I'Electroa,otical applications of liquid crystals" par J.D. MARGFRUM et Coll., dans le "Journal of Colloid and Interface
Science" volume 58, n0 3, Mars 1977.

Récemment des cristaux liquides différents des cristaux en batonnets ont été découverts (voir par exemple l'article "Une mésophase disquotique" par J. BILLARD, J.C. DUBOIS, Nguyen Huu TINH et A. ZAIN, dans le
Nouveau Journal de Chimie volume 2, n0 5, page 335, année 1978). Ces cristaux liquides sont formés de molécules en forme de disque (disclike) qui sont appelés ici "disquotiques". De telles molécules existent dans la mésophase carbonée mais n'avaient pas été isolées auparavant. I1 existe un polymorphisme disquotique : il y a donc plusieurs types de mésophases disquotiques.Sur l'une de ces mésophases disquotiques ont été trouvés des effets électro-optiques spécialement importants. On a notamment découverts de tels effets sur les hexaalkybenzoates de triphénylène et/ou les hexaalkoxy benzoates de triphénylène et/ou les hexaalkoxy benzoates de triphénylène. Cependant les composés sont cristaux liquides à des températures trop élevées et ne paraissent pas utilisables dans les dispositifs électro-optiques. Par exemple l'hexaoctyl benzoate de triphénylène est disquotique de 1790 à 1920 C. Nous avons trouvé, contre toute attente, qu'en les mélangeant avec d'autres dérivés du triphénylène on obtient des cristaux liquides à basse température, sensibles au champ électrique et donc utilisables dans les cellules électro-optiques de visualisation.

Les dérivés du triphénylène présentant, à basse température, une mésophase disquotique sensible au champ électrique, sont des mélanges de deux dérivés hexasubstitués du triphénylène sur le noyau duquel sont fixés six radicaux identiques en positions 2, 3, 6, 7, 10 et 11, ces radicaux pouvant être des radicaux alkyl, alkoxy, alylcarboxylate, alkylbenzoate et aikoxybenzoate.

La structure de la mésophase disquotique sensible au champ électrique se déduit de l'étude aux rayons X. Au microscope polarisant, elle présente l'aspect d'une texture å fils, d'ou le nom de mésophase disquotique à fils et le symbole DF (disque à fils) qui est utilisé à son propos. Le seul ordre, dans cette mésophase, est, à l'agitation thermique près, le parallélisme des plans des molécules voisines en forme de disques. Les orientations des molécules dans ces plans et les positions dans l'espace des centres de masse des molécules sont sans ordre. Les molécules de tels mélanges présentent une anisotropie diélectrique non négligeable, ce qui explique leur sensibilité au champ électrique.

L'invention a pour but de mettre à profit la sensibilité au champ électrique de la mésophase disquotique pour obtenir un effet optique tel qu'une variation de biréfringence (pouvant entraîner une différence de coloration) un changement de polarisation de la lumière transmise ou réfléchie (pouvant entraîner une extinction), ou une diffusion de la lumière par une action électrohydrodynamique.

Le dispositif électro-optique selon l'invention, dû à MM. Jean-Claude
DUBOIS, Michel HARENG et Mlle Annie ZANN de THOMSON-CSF et à M.

Jean BILLARD Professeur à l'Université des Sciences et Techniques de Lille, est du type comportant au moins une cellule de visualisation, comportant elle-même des moyens de contention dune lame de cristal liquide et des moyens d'application d'un champ électrique aux molécules du cristal liquide.

Il est principalement caractérisé en ce que le cristal liquide présente une mésophase disquotique sensible au champ électrique. En outre, sauf dans le cas de la cellule de visualisation par effet dynamique, il est nécessaire d'inclure dans le dispositif des moyens de polarisation de la lumière.

L'invention sera mieux comprise, et d'autres caractéristiques apparai tirant, au moyen de la description qui suit, et des dessins qui l'accompagnent, parmi lesquels:
- la figure 1 représente symboliquement un groupe de molécules de cristal liquide en mésophase disquotique b fils, en dehors de l'influence d'un champ électrique ;
- la figure 4 représente en coupe une cellule de visualisation à cristal liquide;
- la figure 5 représente un exemple d'électrodes de cellule de visualisa tison;
- la figure 6 est un sehéma éclaté d'un dispositif b effet de champ selon l'invention.

En l'absence de champ électrique, la mésophase disquotique DF peut être représentée symboliquement par un amas de disques parallèles, dont un échantillon est illustré par la figure 1. On a représenté l'axe optique XX d'une molécule passant par la centre du disque ainsi qu'un vecteur, situé sur l'axe XX, dont le module "p'1 représente l'anisotropie diélectrique de la molécule.

Figure 2, on a représenté partiellement l'arrangement des molécules suivant le même symbolisme qu'en figure 1 dans le cas ou' elles sont disposées entre deux supports plans 21 et 22 (figurés sans épaisseur) revêtus de dép8ts de Si O.

Ces dépôts de Si O, de quelques centaines d'angstroms d'épaisseur, ont une structure particulière obtenue de la manière suivante : on dispose en parallèle les deux supports dans un appareil de pulvérisation cathodique en s'arrangeant pour que les dépots soit effectués obliquement suivant des directions faisant un angle e avec une parallèle aux supports représentées figure 2 par les flèches 23 et 24. Les dépôts présentent des structures vallonées suivant une même direction perpendiculaire aux flèches. Cette structure favorise l'arrangement des disques parallèlement à des plans perpendiculaires aux flèches 23 et 24.

Un champ électrique, symbolisé par une flèche E peut être crée par application d'une différence de potentiel entre les plans 21 et 22, c'est-àdire entre des électrodes transparentes aménagées sur les supports 21 et 22.

Pour une différence de potentiel de quelques volts, typiquementde 0,5 à 6 volts entre des électrodes distantes de 10 microns, on constate une variation de biréfringence qui se traduit entre polariseurs croisés par une variation de couleur. Un dispositif électro-optique peut également être utilisé pour manifester le changement de coloration d'un colorant dichrolque additionné ou le cristal liquide lui-même.

Le changement de biréfringence constaté peut s'expliquer par l'effet d'orientation du champ électrique sur les molécules disquotiques présentant une anisotropie diélectrique du type positif : la molécule s'oriente en présence du champ électrique de façon à ce que le moment dipolaire perpendiculaire au plan du disque, devienne parallèle au champ électrique, en produisant ainsi un basculement des molécules initialement perpendiculaires aux plans des supports.

Figure 3, on a représenté suivant le même symbolisme, l'arrangement de quelques unes des molécules du cristal liquide placé entre deux supports analogues aux supports 21 et 22 de la figure 2, avec cependant une différence tenant au fait que l'un de ces supports a tourné d'un angle de 900 dans son propre plan. Une suite de molécules 35 à 39, situées à des distances différentes du support 31, a été représenté avec les vecteurs représentant les moments dipolaires p. Le disque 35 est perpendiculaire à la flèche 33 représentant le sens de dépôt de la silice sur le support 31. Le disque 39 est perpendiculaire à la flèche 34 représentant le sens de dépôt de la silice sur le support 32. Les molécules intermédiaires 36 à 38 sont orientées suivant des directions intermédiaires.On peut exprimer ce mode d'arrangement des molécules en disant que les extrémités des vecteurs p sont situées sur une hélice dont le pas est égal à quatre fois la distance entre électrodes. Un tel cristal liquide présente un pouvoir rotatoire de la lumière polarisée. Ce pouvoir rotatoire disparaît quand on établit une difference de potentiel continue de 0,5 à 2 ou 3 volts entre des électrodes disposées sur les supports 31 et 32 distants de 10 microns. En effet, le champ électrique E perpendiculaire aux supports 31 et 32 fait basculer les disques qui deviennent alors parallèles aux électrodes, en supprimant la cause du pouvoir rotatoire et en produisant ainsi une extinction de la lumière, lorsqu'on observe celle-ci, après traversée du cristal liquide, entre deux polariseurs croisés.

Figures 4 et 5, on a représenté une cellule de visualisation et un exemple d'électrodes d'une telle cellule. Figure 6, on a représenté sch & a- tiquement la cellule entre deux polariseurs croisés.

La cellule comporte deux supports transparents et isolants 10 et 11 qui sont par exemple deux lames de verre. Ces supports sont recouverts d'électrodes 13 et 14 dont l'une au moins est transparente (une seule dans le cas de la cellule utilisée en lumière réfléchie). Entre ces supports on maintient une distance très faible de l'ordre de 10 microns à l'aide de cales d'épaisseur 15 et 16 en matériau isolant ; entre les cales on a introduit une goutte de cristal liquide 12. La forme des électrode peut être soit du type alphanumérique, soit constituée de lignes, les lignes d'une électrodes étant perpendiculaires à celles de l'électrode opposée, formant ainsi une matrice de visualisation. Le dispositif peut ou non comporter un diffuseur et un réflecteur.

Figure 5, on a représenté à titre d'exemple un système alphanumérique d'électrodes, dont les chiffres sont à sept éléments tels que l'électrode 51 ; deux autres éléments 52 et 53 complètent le système. Le support opposé comporte une seule électrode 55.

Figure 6, la lumière, émise par une source 61 est polarisée par transmission à travers un polariseur 62 suivant un plan de trace 62, puis transmise par une cellule 63 du type représenté figure 3, faisant tourner le plan de polarisation de 900 lorsqu'aucune tension électrique n'est appliquée entre ses électrodes. On a représenté en 66 la trace sur la face de sortie de la cellule du plan de polarisation de la lumière, et en 67 la trace du même plan sur un polariseur 64 croisé avec le polariseur 62. Dans ces conditions, la lumière est transmise alors qu'il y a extinction si on applique une tension à la cellule 63.

Une cellule de visualisation contenant un cristal liquide en mésophase disquotique peut également être utilisée en faisant appel à l'effet de diffusion dynamique. Les molécules étant du type uniaxe négatif manifestent cet effet sous une tension électrique suffisamment forte, continue ou alternative. Lorsque l'arrangement est homéotrope, c'est-à-dire si l'axe optique des molécules est perpendiculaire aux parois de la cellule, et par -conséquent parallèle au champ électrique, on observe l'effet de diffusion dynamique pour une tension continue de 5 à 6 volts pour un écartement d'électrodes de 10 microns.

Figure 7, on a représenté un dispositif de visualisation à effet dynamique comportant deux lames de verre 71 et 72, revêtues d'électrodes transparentes 73 et 74, du côté externe, ainsi qu'il a été représenté, mais le plus souvent sur la face interne.

Sur la face interne des lames de verre, c'est-à-dire du côté en contact avec le cristal liquide en mésophase DF, on a déposé, par un procédé décrit ci-après, une couche d'une substance hydrophile 75 dont les molécules aromatiques ont une structure telle que celle de l'acide mellitique de formule

<tb> développée: <SEP> COOH <SEP> COOH
<tb> <SEP> HOOC <SEP> COOH
<tb> <SEP> HOOC <SEP> COOH
<tb>
L'hexahydroxybenzène ou l'hexahydroxytriphénylène peut remplacer, pour cet usage, l'acide mellitique ; le résultat obtenu est un arrangement des molécules suivant des positions des disques parallèles aux cellules de la substance, présentant elle-même des cellules parallèles à la paroi.

Lorsqu'on applique la tension électrique entre les électrodes 73 et 74, le champ électrique E qui en résulte (continu ou alternatif) produit une désorganisation des disques 75. La cellule initialement transparente devient opaline, révélant ainsi la présence du champ électrique.

Le procédé utilisé pour déposer la substance telle que l'acide mélliti que consiste à opérer par trempé des lames de verre dans une solution hydro-alcoolique de la substance.

Claims (8)

REVENDICATIONS

1. Dispositif électro-optique du type comportant au moins une cellule de visualisation, comportant elle-même des moyens de contention dune lame de cristal liquide et des moyens d'applications d'un champ électrique aux molécules du cristal liquide, caractérisé en ce que le cristal liquide présente une mésophase disquotique sensible au champ électrique.

2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le cristal liquide est un mélange d'au moins deux dérivés du triphénylène hexasubstitués par la fixation, sur le noyau du triphénylène, de six radicaux identiques en positions 2, 3, 6, 7, 10 et 11, ces radicaux étant des radicaux, alkoxy, alkylcarboxylate ou alkylbenzoate ou alkoxybenzoate.

3. -Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la cellule comporte des parois revêtues d'un dépôt de silice capable, en l'absence de champ électrique, d'orienter les molécules de telle sorte que leurs axes optiques soient parallèles entre eux et parallèles aux parois.

4. Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que les dépôts de silice présentent des orientations décalées de 900 l'une par rapport à l'autre, les molécules du cristal liquide présentant de ce fait une disposition en hélice.

5. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la cellule comporte des parois revêtues d'une couche d'acide mellitique, d'hexahydroxybenzène ou d'hexahydroxytriphénylène.

6. Procédé d'orientation des molécules du cristal liquide dans un dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le dépot de silice est effectué suivant une direction oblique par rapport aux parois qui le reçoivent.

7. Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce que, les dépôts ayant été effectués sur deux supports parallèles destinés à constituer lesdites parois, on constitue la cellule en faisant tourner l'un de ces supports de 90 par rapport à l'autre.

8. Procédé d'orientation des molécules du cristal liquide dans un dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le dépôt de la couche est obtenu en trempant les supports destinés à constituer les parois de la cellule dans une solutionhydro-alcoolique d'acide mellitique, d'hexahy droxybenzène ou d'hexahydroxytriphénylène.