FR2590038A1

FR2590038A1 - Dispositif a cristaux liquides

Info

Publication number: FR2590038A1
Application number: FR8612782A
Authority: FR
Inventors: Akira Tsuboyama; Hiroyuki Kitayama; Osamu Taniguchi
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1985-09-13
Filing date: 1986-09-12
Publication date: 1987-05-15
Anticipated expiration: 2006-09-12
Also published as: DE3631151C2; DE3631151A1; FR2590038B1; JPS6262334A; JPH0437406B2; US4846560A

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN DISPOSITIF A CRISTAUX LIQUIDES POSSEDANT UNE STRUCTURE DE CELLULE EN MATRICE. IL COMPORTE DEUX SUBSTRATS 11, 11A PORTANT DES ELECTRODES DE BALAYAGE ET DES ELECTRODES DE SIGNAUX 12, 12A QUI SE CROISENT MUTUELLEMENT ET ENTRE LESQUELS EST DISPOSEE UNE COUCHE DE CRISTAL LIQUIDE FERRO-ELECTRIQUE. UN ETAT D'ORIENTATION DETERMINE EST DONNE AUX PARTIES DU CRISTAL LIQUIDE FERRO-ELECTRIQUE AUTRES QUE CELLES SE TROUVANT AUX INTERSECTIONS DES ELECTRODES AFIN QUE LES IRREGULARITES DE L'IMAGE ET QUE LES FUITES DE LUMIERE SOIENT ELIMINEES. DOMAINE D'APPLICATION : DISPOSITIFS D'AFFICHAGE, OBTURATEURS OPTIQUES ET AUTRES DISPOSITIFS A CRISTAUX LIQUIDES.

Description

L'invention concerne un dispositif à cris-

taux liquides ferro-électriques, et en particulier

un cristal liquide ferro-électrique présentant un con-

traste amélioré de transparence entre des intersections d'électrodes (éléments d'images ou pixels) et des non- intersections d'électrodes ou parties sans électrode

(parties sans pixel).

Jusqu'à présent, il est connu un dispositif à cristaux liquides utilisant un cristal liquide du

type nématique torsadé (TN), comme décrit dans "Voltage-

Dependent Optical Activity of a Twisted Nematic Liquid Crystal", de M. Schadt et W. Helfrich, Applied Physics Letters, volume 18, N 4 (15 Février 1971), pages 127 et 128. Cependant, un tel dispositif à cristaux liquides TN pose un problème de diaphonie lorsqu'il est réalisé de façon à avoir une haute densité de pixels ou éléments d'images formés à l'aide d'une structure d'électrodes en matrice et commandés en mode à division dans le

temps de manière que le nombre de pixels ait été réduit.

En outre, il est également connu un disposi-

tif d'affichage d'un système dans lequel des pixels sont associés chacun à un transistor à couches minces et sont commutés un par un. Cependant, un problème

posé par ce système est qu'il exige une opération compli-

quée pour former les transistors à couches minces sur un substrat, de sorte qu'il est difficile de réaliser

un dispositif d'affichage sur une grande surface.

Pour éviter les inconvénients mentionnés ci-dessus des types classiques de dispositifs à cristaux liquides, Clark et Lagerwall ont proposé l'utilisation d'un dispositif à cristaux liquides présentant une

caractéristique de bistabilité (demande de brevet japo-

nais N 107216/1981, brevet des Etats-Unis d'Amérique N 4 367 924, etc.). Il est généralement utilisé, comme

cristal liquide bistable, un cristal liquide ferro-

électrique possédant une phase chirale smectique C (SmC*) ou une phase chirale smectique H (SmH*). Le

cristal liquide ferro-électrique est bistable, c'est-

à-dire qu'il possède deux états stables, à savoir un premier état optiquement stable (état dans une première orientation) et un second état optiquement stable (état dans une seconde orientation) vis-à-vis d'un champ électrique qui lui est appliqué. En conséquence, à la différence du cristal liquide classique de type TN du dispositif mentionné précédemment, le cristal liquide est orienté dans le premier état optiquement stable en réponse à un premier vecteur champ électrique et dans le second état optiquement stable en réponse à un autre vecteur champ électrique. En outre, ce type de cristal liquide prend très rapidement l'un des deux états stables mentionnés ci-dessus sous l'action du champ électrique qui lui est appliqué et il conserve cet état en l'absence du champ électrique. En utilisant ces propriétés, on peut apporter des perfectionnements

essentiels éliminant les difficultés mentionnées ci-

dessus rencontrées dans le dispositif à cristaux liqui-

des classique du type TN.

Un dispositif à cristaux liquides possédant une structure en matrice à électrodes de balayage et électrodes de signaux présente des parties ne possédant pas d'électrodes en opposition. Dans le dispositif

à cristaux liquides possédant un premier état d'orien-

tation stable et un second état d'orientation stable, l'un des deux états d'orientation stables est pris lors de l'étape d'alignement initiale des molécules du cristal liquide, mais la commande de l'orientation

ne peut pas être effectuée dans les parties ne présen-

tant pas d'électrodes en opposition. En conséquence,

lorsque l'on observe les deux états d'orientation de cris-

taux liquides à travers deux polariseurs agencés en nicols croisés à angle droit, il est impossible de commander le choix de l'état clair ou sombre dans ces parties, de sorte qu'il apparaît des irrégularités claires et sombres sur la totalité de l'image lorsque le dispositif est utilisé comme dispositif d'affichage et que des fuites de lumière se produisent à travers les parties sans électrode opposée lorsque le dispositif

est utilisé comme ensemble obturateur optique.

Un objet de l'invention est de proposer un dispositif à cristaux liquides duquel les défauts

mentionnés ci-dessus ont été éliminés, tel qu'un dis-

positif d'affichage à cristaux liquides possédant une

bonne qualité d'image, exempte d'irrégularités et pré-

sentant un contraste élevé, ou bien un obturateur opti-

que possédant des caractéristiques appropriées de com-

mande et exempt de fuites de lumière.

Conformément à la présente invention, il

est proposé un dispositif à cristaux liquides de struc-

ture cellulaire en matrice comprenant deux substrats portant, respectivement, des électrodes de balayage ou des électrodes de signaux s'intersectant mutuellement, et un cristal liquide ferro-électrique disposé entre

les électrodes de balayage et de signaux, chaque inter-

section des électrodes de balayage et de signaux définis-

sant un pixel, dispositif dans lequel un premier signal et un second signal sont appliqués sélectivement aux pixels afin que le cristal liquide ferro-électrique

de chaque pixel soit commuté entre un état d'une pre-

mière orientation et un état d'une seconde orientation, le premier signal produisant un premier champ électrique destiné à orienter le cristal liquide ferro-électrique dans le premier état d'orientation, et le second signal produisant un second champ électrique, de direction opposée à celle du premier champ électrique, afin d'orienter le cristal liquide ferro-électrique dans

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le second état d'orientation, les parties du cristal liquide ferroélectrique autres que les intersections

des électrodes étant orientées dans un état d'orienta-

tion déterminé. Plus particulièrement, l'orientation du cristal liquide dans les parties autres que les

intersections des électrodes est établie par l'applica-

tion à une première plaque de base de charges électri-

ques produisant une tension dépassant la tension de seuil. Lorsqu'un cristal liquide ferro-électrique présent dans une cellule est placé dans un état de bistabilité comprenant des premier et second états d'orientations stables, l'orientation des molécules du cristal liquide, dans les parties autres que les pixels, dépend de l'orientation initiale. En conséquence, l'orientation initiale est établie, dans la présente

invention, de façon à éliminer les irrégularités claires-

sombres des parties autres que les pixels.

Plus particulièrement, dans la présente invention, un substrat d'une cellule à cristaux liquides est irradié à l'aide d'une décharge d'effluves ou d'un flux ionique à charger, afin qu'un champ électrique dépassant le seuil soit appliqué à travers un cristal liquide ferro- électrique et que celui-ci soit orienté dans l'un de deux états d'orientations stables, au

niveau des pixels et des parties autres que les pixels.

Ensuite, dans le dispositif à cristaux liquides selon l'invention, des premier et second signaux de polarité mutuellement opposée sont appliqués sélectivement aux pixels afin que l'état d'orientation du cristal liquide ferro-électrique des pixels puisse être changé entre les premier et second états d'orientations stables,

donnant ainsi un état d'affichage à contraste élevé.

L'invention sera décrite plus en détail

en regard des dessins annexés à titre d'exemple nulle-

ment limitatif et sur lesquels: la figure 1 est une vue schématique avec

coupe partielle d'une forme de réalisation de l'inven-

tion; la figure 2 est une vue en perspective d'un substrat de cellule à cristal liquide; la figure 3 est une coupe transversale

par l'épaisseur d'une cellule à cristal liquide compor-

tant le substrat; la figure 4 est une vue schématique en plan d'une cellule à cristal liquide à structure en matrice; et

les figures 5 et 6 sont des vues schémati-

ques en perspective d'une cellule à cristal liquide, destinées à illustrer le principe de fonctionnement

d'un cristal liquide ferro-électrique.

On décrira d'abord la structure d'une cellu-

le à cristal liquide à titre de témoin.

La figure 2 est une vue en perspective d'un substrat de cellule à cristal liquide, la figure 3 est une coupe partielle à travers l'épaisseur d'une cellule à cristal liquide comportant ce substrat, et

la figure 4 est une vue schématique en plan de la cellu-

le à cristal liquide. En référence à la figure 2, un substrat 11 de verre porte, superposés successivement, des électrodes transparentes configurées 12, un film isolant 13 ayant pour fonction d'aligner les molécules du cristal liquide, et des entretoises 14 destinées

à maintenir la couche de cristal liquide à une épais-

seur prédéterminée. La structure stratifiée apparaît plus clairement sur la figure 3. Ainsi, les électrodes transparentes 12 sont disposées sur le substrat de verre 1. Le film isolant 13 est appliqué de façon à remplir lee espaces compris entre les électrodes 12 et à former une couche les recouvrant. En outre, les entretoises 14 sont disposées sur le film isolant 13. Un substrat opposé 11a porte des électrodes 12a et un film isolant 13a qui peuvent être similaires à ceux décrits ci-dessus. Un traitement d'alignement uniaxial, tel qu'un frottement, est appliqué à au moins l'un des substrats. Puis les substrats sont fixés l'un

à l'autre et leur quatre côtés périphériques sont scel-

lés pour former une ébauche de cellule, sauf à l'emplace-

ment d'un orifice d'injection par lequel un cristal liquide ferroélectrique est injecté après que les côtés du substrat ont été scellés, de façon que l'on obtienne une cellule à cristal liquide. La figure 3 montre en coupe transversale et la figure 4 en perspective

schématique la cellule à cristal liquide ainsi formée.

On procède à l'injection du cristal liquide

en utilisant la pression atmosphérique. Plus particu-

lièrement, l'ébauche de cellule est placée dans une chambre à vide afin qu'une dépression suffisante soit établie dans l'espace à l'intérieur de la cellule, puis celle-ci est portée à une température à laquelle la matière du cristal liquide à sceller prend une phase isotrope. Ensuite, par un orifice d'injection formé

dans une partie du substrat sans entretoise, on intro-

duit une quantité suffisante de matière de cristal liquide. On rétablit ensuite la pression atmosphérique

à l'extérieur de la cellule. Il apparatt donc une diffé-

rence de pression d'environ 100 000 Pa entre l'intérieur

et l'extérieur de la cellule, ce qui a pour effet d'ap-

pliquer une pression à la matière du cristal liquide qui est ainsi injectée en peu de temps. Après s'être assuré du remplissage de la totalité de la cellule par le cristal liquide, on scelle l'orifice d'injection à l'aide d'un adhésif afin de former une cellule à cristal liquide. Même après le scellage, la pression

intérieure de la cellule est plus basse que la pres-

sion atmosphérique qui presse ainsi l'un contre l'autre

les substrats entre lesquels les entretoises sont dis-

posées, de sorte que la couche de cristal liquide est maintenue à une épaisseur correspondant à l'épaisseur ou à la hauteur des entretoises. L'expérience a confirmé que lorsque l'on donne aux entretoises une épaisseur

de 1,2 pm et que l'on scelle hermétiquement la composi-

tion de cristal liquide, décrite ci-après, dans une cellule telle que celle décrite ci-dessus, on maintient une couche de cristal liquide à une épaisseur de

1,2 pm sur la totalité de la cellule. Un substrat consti-

tué d'une mince plaque de verre établit un contact excellent et peut avantageusement avoir une épaisseur de 20 à 30 Mm, une valeur optimale étant comprise entre

et 100 gm.

Dans une cellule à cristal liquide à struc-

ture en matrice, réalisée comme décrit ci-dessus, cer-

taines parties ne présentent pas d'électrodes opposées entre les pixels. Ces parties sont désignées par la référence numérique 15, comme indiqué sur la figure 4, c'est-à-dire les parties correspondant aux espaces entre les électrodes portées par le substrat, espaces dépourvus d'électrodes. Par ailleurs, sur le substrat équipé des entretoises, ces dernières sont disposées entre les électrodes, de sorte qu'aucune couche de

cristal liquide n'est formée entre les électrodes.

Dans cet exemple, une composition de cristal liquide à deux constituants, contenant deux composés ayant, respectivement, les formules suivantes, est utilisée:

0 CH3

G) c8 17 -C- 0 2 *H 2H5

CH3 0

3 CCH-O O

2H -C*H-CH _< C0 _C8H17

(C* désigne, dans les formules, un atome

de carbone asymétrique).

Les composés ci-dessus 1 et 2 sont mélangés

à un rapport de 4:1, puis scellés dans la cellule.

Après que le cristal liquide a été scellé, la cellule est portée à une température établissant une phase isotrope, et elle est refroidie progressivement à une vitesse de 0,5 C/h jusqu'à une plage de températures produisant une phase chirale smectique C (SmC*). Lorsque cette cellule est placée entre deux polariseurs agencés en nicols croisés à angle droit, on observe la formation uniforme dans toute la cellule d'un monodomaine. Il a été possible d'effectuer une commutation entre des états clair et sombre sur des pixels en appliquant

des impulsions de tension appropriées entre les électro-

des transparentes formées, respectivement, sur les substrats supérieur et inférieur. Dans les parties sans électrodes opposées, il a été cependant impossible de commander les états clair et sombre de la phase cristal liquide qui conservaient les états initiaux d'orientation produisant les états clair et sombre dans une proportion voisine de 1:1, de sorte qu'il en résultait des irrégularités claires-sombres sur la totalité de la surface de l'image. En conséquence, pour éviter les irrégularités clairessombres, il est nécessaire d'imposer l'orientation initiale des parties sans électrodes, mentionnées ci-dessus. A cet effet, l'orientation du cristal liquide dans ces parties est établie par irradiation d'un substrat avec des faisceaux ioniques ou des charges d'effluves afin d'appliquer un champ électrique au cristal liquide dans les parties

sans électrodes.

La figure 1 est un schéma d'un exemple

d'appareil de commande d'orientation conçu à cet effet.

En référence à la figure 1, un élément 21 de décharge d'effluves, d'une longueur égale ou supérieure à la largeur de la cellule (s'étendant dans la direction

de l'épaisseur du dessin) peut être utilisé pour pro-

duire une décharge d'effluves sur un substrat 16 de verre, un film de matière plastique, etc., qui assume la fonction d'un récepteur de charge afin que ce substrat 16 présente des porteurs chargés négativement. Plus particulièrement, dans ce cas, une tension continue est appliquée entre l'élément 21 de décharge d'effluves et une contre-électrode 23 pour une décharge d'effluves en arrière du substrat 16 de verre afin que ce dernier

reçoive des charges d'effluves. En variante, les élec-

trodes transparentes 12 disposées sur le substrat i1 peuvent également être utilisées comme contre-électrode pour une décharge d'effluves. De cette manière, les charges négatives et les charges positives établissent

un champ électrique dépassant le seuil du cristal liqui-

de ferro-électrique, entre les substrats supérieur et inférieur, ce qui rend uniforme l'orientation du cristal liquide. Après que le traitement ci-dessus a été appliqué à la totalité de la surface de la cellule à cristal liquide par déplacement de l'élément 21 de décharge d'effluves, on s'assure, par l'observation à travers des nicols croisés à angle droit, que le cristal liquide est orienté uniformément sur toute la surface de la cellule, y compris les parties sans électrode. De plus, des pixels peuvent être commandés d'une manière prédéterminée afin que l'on obtienne

des images sans irrégularités claires-sombres.

En variante, on peut également utiliser, comme procédé appliquant des charges au substrat 16, un procédé dans lequel le substrat 16 est exposé à des ions produits par un générateur d'ions tel que celui décrit, par exemple, dans la demande de brevet

japonais N 144721/1985 (demande de brevet des Etats-

Unis d'Amérique N 683 862).

Le principe de fonctionnement d'une cellule

à cristal liquide ferro-électrique est à présent expli-

qué. En référence à la figure 5, celle-ci montre schématiquement un exemple d'une cellule à cristal liquide ferro-électrique permettant d'en expliquer le fonctionnement. Les références numériques la et lb désignent des substrats (plaques de verre) sur chacun desquels est disposée une électrode transparente, par exemple en In203, SnO2, ITO (oxyde d'indium et d'étain), etc. Un cristal liquide de phase smectique chirale, tel que SmC* ou SmH*, dans lequel les couches 2 des

molécules de cristal liquide sont alignées perpendicu-

lairement aux surfaces des plaques de verre, est placé hermétiquement entre les deux substrats. Le trait plein 3 indique les molécules du cristal liquide. Chaque

molécule 3 de cristal liquide possède un moment dipo-

laire (P.) 4 de direction perpendiculaire à son axe.

Lorsqu'une tension supérieure à un certain seuil est appliquée entre des électrodes formées sur les plaques

de base la et lb, la structure hélicoidale de la molé-

cule 3 de cristal liquide se déroule ou disparaît de façon à modifier la direction d'alignement des molécules correspondantes 3 du cristal liquide afin que les moments dipolaires (P.) 4 soient tous orientés dans la direction du champ électrique. Les molécules 3 du cristal liquide ont une forme allongée et présentent une anisotropie de réfringence entre leur grande axe et leur petit axe. En conséquence, on comprend aisément que, lorsque, par exemple, des polariseurs agencés en nicols croisés, c'est-àdire dont les directions de polarisation se croisent mutuellement, sont disposés sur les surfaces

supérieure et inférieure des plaques de verre, la cel-

lule à cristal liquide ainsi agencée se comporte comme un dispositif de modulation optique à cristal liquide dont les caractéristiques optiques varient suivant la polarité d'une tension appliquée. En outre, lorsque l'épaisseur de la cellule à cristal liquide est rendue suffisamment faible (par exemple inférieure à 10 Vm), la structure hélicoïdale des molécules à cristal liquide se déroule ou disparaît pour former une structure non hélicoïdale, mais en l'absence d'un champ électrique, de sorte que le moment dipolaire prend l'un de deux états, c'est-à-dire Pa dans un sens 4a orienté vers le haut ou Pb dans un sens 4b orienté vers le bas, comme montré sur la figure 6. Lorsque l'un de deux champs électriques Ea et Eb supérieurs à un certain seuil et de polarités différentes, comme montré sur la figure 6, est appliqué à la cellule présentant les

caractéristiques mentionnées ci-dessus, le moment dipo-

laire est dirigé, soit dans le sens montant 4a, soit dans le sens descendant 4b suivant le vecteur du champ électrique Ea ou Eb. Les molécules du cristal liquide

s'orientent alors de façon correspondante dans un pre-

mier état stable 3a ou dans un second état stable 3b.

Les avantages résultant de l'utilisation d'un tel dispositif à cristal liquide ferro-électrique, comme dispositif de modulation optique, sont que la vitesse de réponse est très grande et que l'orientation du cristal liquide présente une caractéristique de bistabilité. Plus particulièrement, en référence à la figure 6, lorsque le champ électrique Ea est appliqué aux molécules du cristal liquide, celles-ci s'orientent dans le premier état stable 3a. Cet état est maintenu

de façon stable même si le champ électrique est supprimé.

Par ailleurs, lorsque le champ électrique Eb, dont le sens est opposé à celui du champ électrique Ea, est appliqué aux molécules, celles-ci s'orientent dans le second état stable 3b, de sorte que les directions

des molécules changent. Cet état se maintient similaire-

ment de façon stable même si le champ électrique est

supprimé. En outre, tant que l'amplitude du champ élec-

trique Ea ou Eb appliqué n'est pas supérieure à un certain seuil, les molécules du cristal liquide sont placées dans les états d'orientation respectifs. Pour obtenir efficacement une vitesse de réponse élevée

et une bonne bistabilité, il est avantageux que l'épais-

seur de la cellule soit aussi faible que possible.

Comem décrit précédemment, conformément à l'invention, il devient donc possible de commander l'orientation d'un cristal liquide ferro-électrique dans les parties sans électrodes d'une cellule à cristal liquide ferroélectrique afin d'obtenir un dispositif à cristal liquide ayant d'excellentes performances, qui peut être utilisé comme dispositif d'affichage

à cristaux liquides de grande qualité, sans irrégulari-

tés claires-sombres, ou comme obturateur optique pos-

sédant de bonnes caractéristiques de commande et ne

présentant aucune fuite de lumière.

Il va de soi que de nombreuses modifications

peuvent être apportées au dispositif décrit et repré-

senté sans sortir du cadre de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS

1. Dispositif à cristaux liquides ayant une structure de cellule à matrice, comprenant deux

substrats (11, 11a) portant, respectivement, des élec-

trodes de balayage et des électrodes de signaux (12, 12a) qui se croisent mutuellement, et un cristal liquide ferro-électrique disposé entre les électrodes de balayage et de signaux, chaque intersection de ces électrodes définissant un pixel, le dispositif étant caractérisé en ce qu'un premier signal et un second signal sont appliqués sélectivement aux pixels afin que le cristal liquide ferro-électrique de chaque pixel soit commuté entre un premier état d'orientation et un second état d'orientation, le premier signal produisant un premier champ électrique destiné à orienter le cristal liquide ferro-électrique dans le premier état d'orientation,

et le second signal produisant un second champ électri-

que, de direction opposée à celle du premier champ électrique et destiné à orienter le cristal liquide ferro-électrique dans le second état d'orientation, le cristal liquide ferro-électrique, dans les parties autres que les intersections des électrodes, étant

orienté dans un état d'orientation déterminé.

2. Dispositif à cristaux liquides selon la revendication 1, caractérisé en ce que le cristal liquide ferro-électrique est un cristal liquide chiral smectique formé en une couche suffisamment mince pour

perdre sa structure hélicoïdale.

3. Dispositif à cristaux liquides selon la revendication 2, caractérisé en ce que le cristal liquide chiral smectique est un cristal liquide chiral smectique C ou H.

4. Dispositif à cristaux liquides selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premier

et second signaux sont de polarité opposée.

5. Dispositif à cristaux liquides selon la revendication 1, caractérisé en ce que le cristal liquide ferro-électrique, dans les parties autres que

les intersections, est placé dans un état d'orientation.

6. Dispositif à cristaux liquides selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'orientation du cristal liquide ferro-électrique dans les parties autres que les intersections est établie par des charges

électriques appliquées à au moins l'un des substrats.

7. Dispositif à cristaux liquides selon la revendication 6, caractérisé en ce que les charges

électriques sont appliquées par décharge d'effluves.

8. Dispositif à cristaux liquides selon la revendication 6, caractérisé en ce que les charges

électriques sont appliquées par irradiation ionique.