FR2657699A1 - Dispositif optique bistable a cristaux liquides et commande electrochirale. - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un dispositif optique à cristaux liquides à effet bistable du type comprenant deux plaques transparentes (12, 14) pourvues d'électrodes de commande (18, 19) et entre lesquelles est placé un matériau cristal liquide (20) dont les molécules sont susceptibles d'occuper alternativement au moins deux états stables, caractérisé par le fait que: des ions chiraux sont dissous dans le matériau cristal liquide (20), et il est prévu des moyens (30) aptes à appliquer au dispositif des impulsions de champ électrique perpendiculaires aux plaques ( 12, 14), orientées alternativement dans un sens puis dans l'autre.

Description

La présente invention concerne le domaine des dispositifs optiques à cristaux liquides.

La présente invention a été faite au Laboratoire de Physique des Solides de l'Université de Paris Sud, laboratoire associé au CENTRE
NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE numéro 04 0002.

De nombreux travaux de recherche ont été conduits depuis au moins une quinzaine d'années sur les cristaux liquides.

Différents résultats des travaux de recherche effectués au
Laboratoire de Physique des Solides de l'Université Paris Sud sont décrits dans la demande de brevet français déposée le 28 Avril 1982 sous le n" 82 07309 et publiée sous le n" 2526177, la demande de brevet français déposée le 23 Octobre 1984 sous le n" 84 16192 et publiée sous le n" 2572210, la demande de brevet français déposée le 18 Juin 1985 sous le n" 85 09224 et publiée sous le n" 2587506, la demande de brevet français déposée le 14
Mai 1986 sous le n" 86 06916 et publiée sous le n" 2598827 ou encore la demande de brevet français déposée le 17 Décembre 1987 sous le n" 87 17660 et publiée sous le n" 2624985.

Par ailleurs, les travaux relatifs aux cristaux liquides ont donné lieu à de nombreuses publications.

La présente invention concerne plus précisément les dispositifs optiques à cristaux liquides dits bistables, c'est-à-dire les dispositifs dans lesquels les molécules des cristaux liquides sont susceptibles d'occuper alternativement deux états stables, sous l'effet d'une commande externe.

De tels dispositifs optiques bistables se prêtent en particulier à la réalisation d'afficheurs multiplexés.

Différents dispositifs optiques bistables à cristaux liquides ont déjà été proposés.

Le document Applied Physic Letters 40 (12) 1007 (1982) J.

Cheng et al décrit par exemple un dispositif à cristaux liquides nématiques présentant deux états stables en volume commutés par un champ électrique externe de commande. Le processus décrit dans ce document n'a pas donné lieu à application pratique. Il présente un temps de commutation très lent et revèle généralement de nombreux défauts de texture.

Le document Applied Physic Letters 36, 899 (1980), N.A. Clark et al décrit un autre dispositif optique bistable utilisant des cristaux liquides dits Smectiques C ferroélectriques, et des ancrages de surface dégénérés. Le processus décrit dans ce document présente l'avantage d'un temps de commutation très court et a donné lieu à des applications pratiques. I1 ne donne cependant pas totalement satisfaction.

En particulier, dans la pratique, on constate fréquemment qu au lieu d'un affichage bistable entre deux états symétriques, on obtient des affichages monostables sur des textures tordues dont le contraste est mauvais et qui ne peuvent être multiplexés. Ce phénomène semble dû au fait que l'interface électrode/cristal liquide est polaire.

Le document Applied Physic Letters 11 Décembre 1989, R.

Barber, M. Boix et G. Durand décrit un autre dispositif optique bistable dans lequel la bistabilité est induite par un traitement rugueux contrôlé sur l'une au moins des électrodes transparentes et la commutation est opérée par application d'un champ électrique externe parallèle aux électrodes.

Selon ce document, le traitement rugueux peut être obtenu par exemple par évaporation oblique de SiO. Ce document Applied Physic Letters est à rapprocher de la demande brevet français n" 87 17660 précitée. Le processus décrit dans le document Applied Physic Letters 11 Décembre 1989 semble prometteur. I1 présente cependant l'inconvénient majeur de n'être sensible qu'à un champ électrique parallèle aux plaques transparentes du dispositif et d'être totalement insensible à un champ électrique perpendiculaire aux plaques.

La présente invention a maintenant pour but de proposer un nouveau dispositif optique bistable à cristaux liquides présentant de meilleures performances que la technique antérieure.

Un but important de la présente invention est de proposer un dispositif optique bistable à cristaux liquides à commutation rapide.

Un autre but important de la présente invention est de proposer un dispositif optique bistable à cristaux liquides conçu pour être commandé aisément par un champ électrique externe.

Ces buts sont atteints selon la présente invention grâce à un dispositif optique à cristaux liquides à effet bistable du type comprenant deux plaques transparentes pourvues d'électrodes de commande et entre lesquelles est placé un matériau cristal liquide dont les molécules sont susceptibles d'occuper alternativement deux états stables, caractérisé par le fait que - des ions chiraux sont dissous dans le matériau cristal liquide, et - il est prévu des moyens aptes à appliquer, au dispositif, des impulsions de champ électrique perpendiculaire aux plaques, orienté alternativement dans un sens puis dans l'autre.

L'application alternée d'impulsions de champ électrique normal aux plaques, orienté dans un sens puis dans l'autre, permet de commuter la structure du cristal liquide entre les différents états stables.

L'effet du couplage entre les ions chiraux et le champ électrique sera précisé dans la suite de la description.

D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et en regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels - la figure 1 représente une vue schématique générale d'un dispositif optique conforme à la présente invention, - les figures 2, 3 et 4 représentent différents diagrammes et courbes illustra:t le fonctionnement de ce dispositif, - la figure 5 représente schématiquement l'application du dispositif au cas d'un afficheur nématique bistable, et - la figure 6 représente une courbe V (T) relevée sur ce même dispositif.

STRUCTURE DU DISPOSITIF
La structure de base connue du dispositif optique utilisé comprend comme représenté schématiquement sur la figure 1 annexée une cellule 10 formée de deux plaques transparentes parallèles 12, 14, par exemple en verre, séparées par une cale d'épaisseur constante (non représentée sur la figure 1) et entre lesquelles est placé un matériau cristal liquide 20.

Les plaques 12, 14 sont pourvues sur leurs surfaces internes en regard, adjacentes au cristal liquide, d'électrodes électriquement conductrices et optiquement transparentes. Une telle électrode est représentée schématiquement sous forme d'une bande 18, pour la plaque 14, sur la figure 1. L'électrode homologue prévue sur la plaque 12 est référencée 19.

Des moyens d'alimentation électrique 30 sont reliés entre les électrodes prévues sur les deux plaques 12, 14, pour appliquer un champ électrique contrôlé sur le matériau cristal liquide 20.

CARACTERISTIQUES DE L'INVENTION
Plus précisément, le dispositif optique conforme à la présente invention présente trois caractéristiques essentielles - il possède une bistabilité, c'est-à-dire que les molécules de cristal liquide sont susceptibles d'occuper alternativement au moins deux états, - des ions chiraux sont dissous dans le matériau cristal liquide, et - les moyens d'alimentation électrique 30 sont couplés aux électrodes 18, 19 de manière à appliquer au dispositif des impulsions de champ électrique perpendiculaire aux plaques, orienté alternativement dans un sens puis dans l'autre.

La bistabilité peut avoir différentes origines.

La bistabilité peut être due à un traitement de surface des plaques 12, 14.

Ce traitement de surface peut être formé par exemple du dépôt d'un polymère sur les surfaces internes en regard des plaques 12, 14 suivi de deux frottements du polymère inclinés entre eux.

Le traitement de surface peut être formé par contrôle de la rugosité de la surface des plaques 12, 14 (contrôle de l'épaisseur de la rugosité et de son incidence moyenne ou longueur d'onde moyenne) comme enseigné dans la demande de brevet français n" 87 17660 publiée sous le n" 2624985.

La bistabilité peut encore être due aux propriétés du cristal liquide ; il peut s'agir par exemple de Smectiques C non ferroélectriques.

La bistabilité peut également être obtenue par la combinaison d'un traitement de surface associée aux propriétés du cristal liquide.

Des exemples sont donnés par la suite pour illustrer ces diverses variantes.

Le cristal liquide 20 utilisé dans le cadre de l'invention peut être un nématique, un cholestérique, un smectique C non ferroélectrique ou un smectique C ferroélectrique.

Dans le cadre de la présente demande le signe de la chiralité est défini par le signe de l'hélice cholestérique obtenue en dissolvant l'ion chiral dans le cristal liquide nématique 5CB, comme expliqué dans le document J. Phys. (France) 50, 1099 (1989).

Ce document montre que l'on peut déplacer la chiralité en volume sous l'action d'un champ électrique continu mais ne révèle pas l'action transitoire en surface sur les surfaces bistables dues à des impulsions de champ électrique.

Les ions chiraux ajoutés au cristal liquide peuvent être formés de nombreux composés connus présentant des propriétés chirales.

Parmi ces composés on citera à titre d'exemples - les composés suivants ayant des propriétés chirales de signe positif (chiralité vis française)
bromure de benzyl quininium (BBQ)
chlorure de benzyl quininium (CBQ)
chlorhydrate d'ester éthylique d'alanine - les composés suivants ayant des propriétés chirales de signe négatif (chiralité vis anglaise)
acide phényllactique
phenyllactate de potassium
FONCTIONNEMENT
La commande de l'orientation des molécules de cristaux liquides se fait en surface et non en volume, par application des impulsions de champ électrique par les moyens 30.

Le principe de l'action des ions chiraux sur la surface est le suivant.

En l'absence de champ électrique, les ions chiraux, compensés électriquement par leurs contre-ions, forment un ensemble homogène et neutre dans une cellule cristal liquide 20 placée entre les deux plaques 12, 14.

Supposons que le matériau cristal liquide soit un nématique, qu'on utilise un seul type d'ion chiral et que, les plaques 12 et 14 soient traitées pour favoriser un ancrage planaire, parallèle aux électrodes, dans une direction p. La chiralité étant répartie, le nématique devient un cholestérique, c'est-à-dire possède une torsion spontanée. Supposons que cette torsion corresponde à un tour complet de l'azimut (mesuré dans le plan des électrodes par rapport à ) pour l'épaisseur d entre les plaques 12, 14.

L'angle q)'(d) est alors une simple dépendence linéaire comme représenté en trait plein sur la figure 2.

Lorsque le champ électrique est appliqué par les moyens 30, les ions chiraux sont entraînés vers l'une des électrodes, selon leur polarité, où ils s'accumulent sur une épaisseur a d.

A l'équilibre la torsion 2 7r = 360 est alors concentrée au voisinage d'une électrode, sur l'épaisseur a qui devient le pas du cholestérique concentré. Aucun couple n'est transmis aux plaques lorsque la région cholestérique (0, a) et la région suivante nématique (a, d) sont dans leur état d'équilibre.

Cependant, si le transport des ions est assez rapide, on obtient une situation transitoire hors d'équilibre où l'angle du cholestérique reste 0 2 IT (fig. 2) au lieu de 2 #, à la jonction des deux régions. Le cholestérique commence à se former près des plaques, avec un pas très court a. I1 transmet alors à la plaque adjacente et au cristal liquide dans le volume, des couples de torsion égaux et opposés, d'amplitude # /cm = (K(2 #)/a)xa = (K(2#) /a) (K ~ 10-6 cgs est la constante de courbure du nématique).

Le signe de ce couple est celui de l'hélice cholestérique, définit par le signe de la chiralité de l'ion. I1 peut être choisi chimiquement.

Sur la plaque considérée, ce couple tend à faire tourner les molécules, à plat, pour les faire sortir de leur direction d'ancrage pe Sur le volume du cristal liquide, il sert à détordre le cholestérique initial en faisant passer son azimut de #0 à 2 sur. Ce couple va durer le temps de formation de l'hélice cholestérique de pas a, défini par (1/ #)=(K(2#)/a# où # ~ 0,1 poise est une viscosité typique.

r évolue donc dans le temps suivant la courbe typique de la figure 3.

Pour sortir les molécules de surface de leur direction d'ancrage 3 et les faire tourner jusqu'à une autre direction d'ancrage 3 il faut franchir une barrière de potentiel de surface, caractérisée par un couple de surface #s.#s est typiquement égal à K/L où L est de l'ordre de 1000 pour un ancrage fort et îum pour un ancrage faible. Si la condition r > r est réalisée pendant le temps qu'il faut pour que la surface se torde, les molécules passent en surface de la direction p à la direction p'. On notera qu'il convient de choisir le bon signe de chiralité des ions pour que le sens du couple fasse tourner de p vers p' dans le sens de l'angle le plus faible < ir 12 = 90 (figure 4).

La relation r > F se traduit par la condition K(2#)/a > K/L c'est-à-dire a < (2#)L ou a ~ L.

I1 faut accumuler les ions en pratique sur une couche o d'épaisseur typique 1000 à 10000A. Ceci est assez facile à réaliser, puisque les ions vont s'accumuler près des électrodes pour former une bicouche de Helmolz de quelques molécules d'épaisseur. Le temps de commutation de la surface T défini par (1/ #s)~ (K/L #) est de l'ordre du temps de formation du cholestérique puisque L U a. La condition temporelle pour obtenir le couple précité implique seulement que les ions soient amenés dans la couche de surface pendant un temps de transport assez court Td < T.

Le temps de transport est simplement lié à la mobilité p des ions, dans le champ E = V/d (V est le potentiel électrique appliqué entre les deux électrodes 18, 19). Par définition, la vitesse des ions v est égale à v = pE = ,u(V/d)
Td est donc défini par Td = (d2IpV)
La condition temporelle à respecter est alors (d2/uV) < (a # /K(2#)) qui correspond à un seuil en tension
V > Vs = (d2/a2)(K(2 #)/ #) = (d/ #)
Avec les ordres de grandeur cités, les temps caractéristiques des nématiques ou des cholestériques sont de I ms pour des longueurs caractéristiques a de lpm. Pour a = Ln 0,1 pm (1000 ), on obtient lxlO,us (T varie comme le carré des longueurs). Les valeurs typiques de p sont de l'ordre de 10-5 cm2/Vs.Pour une cellule d'épaisseur lp, V est ainsi de l'ordre de
Vs~(d/ # )~(10-8/10-5)10-5 ~ 100 Volt
En fait, avec l'incertitude des données, on a 10 Volt < Vs < 1000Volt
En conclusion, si on applique une impulsion de tension de l'ordre de 10 à 1000V/pm, typiquement de 100V!pm pendant un temps de l'ordre de 10 ps ou plus, par exemple de lOOus, sur une cellule de cristal liquide nématique contenant un ion chiral, on produit pendant ce temps transitoire un couple de torsion sur la surface de l'électrode qui est capable de casser l'ancrage d'orientation le plus fort réalisable actuellement connu des inventeurs.

Le seuil Vs est en principe indépendant de la concentration puisqu'il est lié seulement au phénomène de transport. L'influence de la concentration des ions chiraux est cachée dans l'angle initial de rotation de la cellule (2#dans l'exemple donné ici) qui correspond à une concentration
C0 d'ion chiral. Une plus forte concentration C = xCO va donner des rotations x fois plus grandes, donc un pas x fois plus petit. Les ions sont concentrés dans une épaisseur a. Le pas du cholestérique dans cette région est a/x. Le couple cholestérique de densité kx2/a2 intégré dans l'épaisseur a donne un couple de surfacerv x2 rmax. La relation r > r donne maintenant
s a# x2 L. Si a est fixé on en déduit une concentration minimale Cm =
C0 (a/L).En pratique, si les ions sont uniformément distribués au départ, V va baisser en montant la concentration car on pourra n'utiliser que les ions les plus proches de l'électrode.

Le principe décrit du basculement de surface commandé par impulsions électriques permet un contrôle rapide de l'état d'une cellule à cristal liquide. Le temps d'inscription de l'information va se comparer à
T ('O lOps). La texture cristal liquide en volume suit le changement d'orientation de surface avec son temps propre TNn # d2/K('T)2, plus long que T puisque d > L.

La cellule se comporte comme un intégrateur de constante de temps ajustable par l'épaisseur d.

EXEMPLES D'APPLICATIONS 1) AFFICHEUR NEMATIQUE BISTABLE
a) Mode de birefringence.

On peut doper un cristal liquide nématique avec deux sortes d'ions chiraux pour réaliser un mélange neutre électriquement et mécaniquement.

Ces deux sortes d'ions peuvent être obtenus à partir d'une molécule "bi-chirale" (contenant par exemple deux carbones asymétriques) soluble en milieu organique, facilement dissociable, et dont les deux ion et contre ion (ie de polarités électriques opposées), sont chacun chiraux et chiralement opposés l'un à l'autre (pas de vis à gauche et pas de vis à droite).

On peut obtenir plus simplement les deux sortes d'ions chiraux en prenant deux molécules organiques donnant chacune des ions dont un au moins est chiral, avec des signes électriques et de chiralité opposés.

Comme représenté sur la figure 5, les deux électrodes 18 et 19 sont traitées pour donner deux directions d'orientation moléculaire possibles p et pi' parallèles deux à deux d'une plaque à l'autre, et à 450 l'une de l'autre sur une même plaque.

Initialement, le champ électrique E est nul. Le système est un nématique orienté uniformément dans un premier état le long de p. Cet état est stable.

Lorsqu'une impulsion de tension est appliquée entre les électrodes 18, 19 et donc qu'un champ électrique est appliqué sur la cellule, les ions chiraux sont rapidement déplacés contre les électrodes, les ions positifs ves la cathode et les ions négatifs vers l'anode. Ils créent des couples de surface RS de signes opposés par rapport à chaque normale orientée à chaque surface respective puisque leurs chiralités sont opposées, mais de même signe par rapport à un système de repère commun.Ce signe correspond à la rotation facile qui amène sur $', à 45 . Si V est suffisant et appliqué assez vite, les deux orientations de surface vont basculer de p en p' en synchronisme, en un temps très court de l'ordre de 10 crus. Le reste du volume va suivre en un temps TNlié à l'épaisseur de l'ordre de 10 3 sec.

La cellule placée entre polariseurs croisés parallèles et perpendiculaire respectivement à po passe de l'état noir (éteint) à l'état transparent, si l'on a choisi l'épaisseur d pour que la différence de chemin optique entre les deux polarisations ordinaire et extraordinaire soit de l'ordre de A /2,
* comme pour les afficheurs à smectiques C classiques. Cette condition est facile à remplir puisque d = îpm, la birefringence An=0,3 donne lu 0,3pu U X /2.

L'état final d'orientation uniforme en volume du nématique dans l'état p est stable.

En appliquant une impulsion de tension de polarité inverse V les ions chiraux se déplacent respectivement près de l'autre électrode.

Un couple inverse est appliqué sur les molécules de cristal liquide, le système revient dans l'état p en surface. L'état final d'orientation du nématique en volume est l'état initial uniforme p stable.

Le système est bistable.

b) Mode guide d'onde.

On peut aussi utiliser la rotation des molécules en surface pour exciter un mode guide d'onde, entre les états p et p'. L'épaisseur de la cellule est choisie plus grande que X, pour réaliser la condition classique de
Mauguin d > XAn.

c) Mode d'absorption.

On peut commander par la rotation de surface, des cellules contenant un colorant dichrolque, dont l'absorption dépent de l'angle avec la polarisation de la lumière.

d) Fonctionnement multimodes.

Dans la description qui précède, il est proposé d'utiliser l'effet de torsion des ions chiraux, en champ électrique, sur des électrodes bistables.

Dans le cadre de l'invention, on peut également préparer des électrodes multistables, définies par des directions d'ancrage p", r etc.

Une série d'impulsions de champ électrique de même signe va faire tourner le système de p vers p' puis p''. Une série d'impulsions de champ électrique de signe opposé va faire revenir le système en p.

Pour passer par toutes les orientations possibles p, p', p", etc ..., il faut appliquer au dispositif un nombre d'impulsions égal au nombre de sauts possibles entre deux orientations adjacentes.

Ainsi dans le cas d'électrodes tristables définies par trois directions d'orientation p, p' et p", deux impulsions permettent de passer successivement par les trois orientations possibles, Une première impulsion de tension V permet de passer de p à p'. Une deuxième impulsion de tension
V de même polarité permet de passer deà. Une impulsion de tension de polarité inerse -V permet de passer de p'' à p'. Une deuxième impulsion de tension -V, de même polarité que l'impulsion dernière citée permet de passer de p a p.

On peut ainsi réaliser des teintes de gris en étalant convenablement les directions p, p', p'' sur la courbe de transmission de la lame 1/2 onde constituée par le cristal liquide.

* 2j AFFICHEUR SMECTIQUE C BISTABLE VRAI
Les afficheurs à base de smectiques C ferroélectriques sont bien connus de l'homme de l'art.

Certains afficheurs à smectique C ferroélectrique fonctionnent cependant mal, car au lieu de commuter entre deux états p, p' de façon uniforme, une des deux surfaces, polaire, préfère garder sa polarisation électrique vers le cristal liquide et ne se retourne pas. Ceci ajoute aux états uniformes et désirés pp et p'p', les états tordus et non désirés pp' ou p'p. Pour les supprimer, les inventeurs proposent dans le cadre de l'invention de mélanger au smectique C une petite quantité d'ion chiral de signe convenable.Le signe électrique est choisi pour que les ions soient transportés par le champ d'affichage vers l'électrode qui ne se retourne pas, par exemple vers l'électrode qui reste dans l'état p au cours d'un basculement désiré de pp vers p p'. Le sens de la chiralité est lui aussi choisi pour que le couple de surface transmis sur l'électrode défectueuse fasse passer de p à p' par la direction facile à 45". La concentration d'ion chiral est ajustée pour que l'effet polaire disparaisse. Par symétrie, on peut aussi retourner Itautre électrode qui reste en p' au lieu de revenir en p, avec les mêmes ions, qui se rassemblent maintenant à son voisinage, puisque l'impulsion électrique de contrôle a changé de signe.Le système est alors absolument bistable, les états tordus étant éliminés dynamiquement.

3) AFFICHEURS BISTABLES SMECTIQUES C NON FERROELECTRIQUES
La bistabilité de l'affichage dans deux états comme proposé par Lagerwaal et Ckark avec les C ferroélectriques dans Applied Physics
Letters 36, 899,(1980) est aussi une propriété potentielle des smectiques C non ferroélectriques. Le problème avec ces smectiques est cependant que jusqu'ici on ne savait pas comment les commander électriquement pour passer d'un état à l'autre.

Dans le cadre de l'invention, il est proposé de mélanger au smectique C ordinaire non ferroélectrique le mélange d'ions chiraux neutre (électrique et chiral) décrit précédemment pour le nématique. La commutation de surface entre les états p' et p' est contrôlée par les ions chiraux, comme pour le nématique. En l'absence de champ, le smectique non chiral reste dans un des deux états p ou p. La géométrie est donc celle de
Clark Lagerwaal où les couches smectiques sont normales aux électrodes.

On transporte les ions chiraux positifs et négatifs par le champ E, appliqué en impulsions courtes. Le basculement de surface se produit en un temps de surface T t) îOps et le volume suit comme pour le nématique, n N lms typiquement.

EXEMPLES DE REALISATION D'AFFICHEURS NEMATIQUES BISTABLES
exemple 1
Les inventeurs ont testé des cellules contenant un nématique à l'ambiante (5CB) dopé par des ions chiraux de signes opposés, le bromure de benzyl quininium (BBQ) qui donne un ion positif et de chiralité "Vis française" et l'acide phenyl lactique (APL), qui donne un ion négatif et une chiralité "Vis anglaise".

Les concentrations de BBQ et d'APL étaient respectivement 0,5% et 1,8%. La cellule avait une épaisseur de 6pm, en mode de guide d'onde présentant une surface bistable et une surface monostable. La surface bistable a été obtenue par une évaporation de SiO près de la région de la transition, comme indiqué dans le document Monkade, Boix, Durand,
Europhysics Letters, 5, 697 (1988) dans un cas et par deux évaporations SiO croisées à 45" dans un autre cas. La deuxième orientation monostable a été obtenue de façon classique par évaporation de SiO épais à 60". Les électrodes étaient de L'DITO classique sur verre. (Baltracon de Balzens).

Avant l'application d'un champ électrique, la cellule montrait deux sortes de domaines confirmant l'existence de deux états de surface possibles sur l'électrode bistable.

En appliquant le champ, les inventeurs ont observé un seuil de basculement de surface d'un état bistable à l'autre, pour des impulsions carrées de + 100V et 40pus. L'échantillon devient alors homogène, montrant l'orientation de surface sélectionnée par la polarité de la dernière impulsion de commande.

Un échantillon mince, identique d'épaisseur plus faible et non contrôlée (de 2 à 3CI), a montré une commutation à 20Volts, avec un temps de réponse minimum de surface T= loups.

Le temps d'établissement de la lumière, (c'est-à-dire le temps de rotation du volume TN) est beaucoup plus long que le temps T (40us). Il vaut de l'ordre de 50ms, temps typique de diffusion de l'orientation des surfaces vers le volume pour l'épaisseur 6pm. I1 baisse d'un facteur 62 = 36, c'est-à-dire devient de l'ordre de 1,5ms pour une cellule d=lum. Cette expérience a permis de vérifier la validité de la commande électro-chirale des états de surface.

Pour faire un afficheur bistable, les inventeurs ont également réalisé une cellule symétrique constituée du même mélange 5 CB + BBQ +
APL et de deux électrodes identiques faites par deux évaporations de SiO à angle azimuthal à 45" l'un de l'autre, d'épaisseur évaporée 60 (à l'angle zenithal de 74"). Les orientations moyennes d'évaporation étaient parallèles. L'épaisseur de la cellule était 6pm. Sans champ électrique, l'afficheur présente deux états planaires uniformes tournés de + 20 par rapport à la direction moyenne d'alignement. L'angle p p' vaut donc 40".

L'application d'impulsions carrées de
V =+11OVolt et durant T = 40pus ou plus a permis la commutation entre ces deux états uniformesoppoet p'p3. Une courbe V( T) a été mesurée : elle est reproduite en figure 6.

Cette courbe montre que V décroit faiblement quand T augmente, de 120V à 30ps jusqu'à 80V à 300pus, comme prévu. Le contraste entre polariseurs croisés est fort (ru120) sans étre optimisé. Le temps d'établissement de la lumière à travers la cellule était de l'orde de 50ms, comme dans la 1 ère expérience.

Cette expérience démontre la faisabilité d'un afficheur à double commutation symétrique de surface.

Pour ces deux expériences, les inventeurs, ont utilisé le 5CB, qui est un corps diélectriquement positif, tendant à s'aligner le long du champ électrique appliqué. Cette orientation est utilisée secondairement dans l'afficheur, pour aider à franchir la barrière de potentiel des orientations des surfaces, plus faible pour une orientation oblique (ou hométotrope) que planaire.

L'intérêt du choix de l'anisotropie diélectrique positive pour le matériau nématique a été démontré par une expérience réalisée par les inventeurs sur une cellule similaire à celle indiquée à l'exemple 1, c'est-à-dire présentant sur une électrode, une seule orientation définie, et sur l'autre électrode, deux orientations bistables, mais comprenant comme cristal liquide nématique du EN38 de Chisso C dont l'anisotropie tf =- 7,5 = C est négative. Cette cellule n'a pas révélé de commutation de surface avec des impulsions aussi grandes que 140 Volts et une durée aussi grande que 2msec. En fait la commutation n'a pu alors être obtenue que sous l'effet de moyens mécaniques sous la forme d'écoulements électrohydrodynamiques induits par une excitation en courant alternatif basse fréquence.

Le caractère dynamique de l'effet électrochiral a été démontré en observant que des impulsions non carrées, à bords exponentiel de temps caractéristique 50ps ne déclenchent pas l'effet de commutation, pour des tensions crête V=150Volt, soit des tensions supérieures au seuil V=100Volt observé pour des signaux carrés. Cette expérience confirme que dans les conditions opératoires du document J. Phys. (France) 50, 1099 (1989) on n'opère aucune action mécanique en surface.

Les propriétés dynamiques ainsi révélées de l'afficheur peuvent être mises à profit pour opérer une commande par multiplexage.

Le temps court T de surface ( T ru 10,us) permet l'inscription rapide de l'information sur une ligne. A 50Hz une image vidéo complète doit être enregistrée en 1/50sec = 40ms. La limite théorique du nombre de lignes multiplexées est donc 40ms/îOps = 4000 lignes. Le temps d'intégration du volume nématique peut être choisi plus long, par ajustement de l'épaisseur ou du matériau ; il doit se comparer au temps image X 40ms. Le système permet potentiellement la réalisation d'afficheurs matriciels vidéo multiplexés à haute définition.

Bien entendu la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation particuliers qui viennent d'être décrits mais s'étend à toutes variantes conformes à son esprit.

Claims (23)

REVENDICATIONS

1. Dispositif optique à cristaux liquides à effet bistable du type comprenant deux plaques transparentes (12, 14) pourvues d'électrodes de commande (18, 19) et entre lesquelles est placé un matériau cristal liquide (20) dont les molécules sont susceptibles d'occuper alternativement au moins deux états stables, caractérisé par le fait que - des ions chiraux sont dissous dans le matériau cristal liquide (20), et - il est prévu des moyens (30) aptes à appliquer au dispositif des impulsions de champ électrique perpendiculaires aux plaques (12, 14), orientées alternativement dans un sens puis dans l'autre.

2. Dispositif optique selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il présente un effet multistable, c'est-à-dire que les molécules du matériau cristal liquide (20) sont susceptibles d'occuper alternativement un nombre d'états stables supérieur à deux.

3. Dispositif optique selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les moyens d'alimentation en champ électrique (30) sont conçus pour appliquer successivement un nombre d'impulsions de champ électrique perpendiculaires aux plaques égales au nombre de sauts entre deux états stables, dans un sens donné, puis un même nombre d'impulsions de champ électrique, perpendiculaires aux plaques dans le sens opposé.

4. Dispositif optique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que les moyens d'alimentation (30) sont conçus pour appliquer des impulsions de tension comprises entre 10 et 1000Volts.

5. Dispositif optique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la durée des impulsions de champ électrique appliquées par les moyens d'alimentation (30) est inférieure à 1000pus, de préférence inférieur à 100pus.

6. Dispositif optique selon l'une des revendications I à 5, caractérisé par le fait qu'il comprend deux types d'ions chiraux présentant respectivement des polarités électriques opposées et des chiralités opposées.

7. Dispositif optique selon la revendication 6, caractérisé par le fait que les deux ions chiraux de polarités électriques et de chiralités opposées sont obtenus à partir d'une molécule chirale contenant au moins deux carbones asymétriques, soluble en milieu organique et dont les deux ions et contre-ions sont chiralement opposés l'un à l'autre.

8. Dispositif optique selon la revendication 6, caractérisé par le fait que les deux sortes d'ions chiraux sont obtenues à partir de deux molécules organiques différentes donnant chacune des ions dont un au moins est chiral avec des signes électriques et des chiralités opposées.

9. Dispositif optique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait qu'il comprend un seul type d'ion chiral.

10. Dispositif optique selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait qu'il comprend des ions chiraux présentant une chiralité de signe positif choisis dans le groupe comprenant : bromure de benzyl quininium (BBQ), chlorure de benzyl quininium (CBQ), chlorhydrate d'ester éthylique d'alanine.

11. Dispositif optique selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait qu'il comprend des ions chiraux présentant une chiralité de signe négatif choisis dans le groupe comprenant : acide phényllactique, phenyllactate de potassium.

12. Dispositif optique selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé par le fait que l'effet bistable ou multistable est obtenu par traitement de surface des plaques (12, 14).

13. Dispositif optique selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé par le fait que l'effet bistable ou multistable est obtenu par différents frottements inclinés entre eux réalisés sur la surface interne des plaques (12, 14), par exemple deux frottement à 45" d'un polymère déposé sur les plaques (12, 14).

14. Dispositif optique selon l'une des revendications I à 12, caractérisé par le fait que l'effet bistable ou multistable est obtenu par contrôle de l'épaisseur et de la longueur d'onde moyenne de la rugosité sur la surface interne des plaques (12, 14).

15. Dispositif optique selon l'une des revendications 1 à Il, caractérisé par le fait que l'effet stable est dû aux propriétés du cristal liquide.

16. Dispositif optique selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé par le fait que le matériau cristal liquide est un nématique.

17. Dispositif optique selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé par le fait que le matériau cristal liquide (20) est un cholestérique.

18. Dispositif optique selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé par le fait que le matériau cristal liquide (20) est un smectique

C non ferroélectrique.

19. Dispositif optique selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé par le fait que le matériau cristal liquide (20) est un smectique

C ferroélectrique.

20. Dispositif optique selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisé par le fait que le matériau cristal liquide nématique (20) est dopé avec deux sortes d'ions chiraux présentant des polarités électriques et des chiralités opposées et que l'épaisseur d du dispositif séparant les deux plaques (12, 14) est choisie pour que la différence de chemin optique entre les deux polarisations ordinaire et extraordinaire soit de l'ordre de

X/2 de sorte que le dispositif travaille en mode de biréfringence.

21. Dispositif optique selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisé par le fait que l'épaisseur d du dispositif séparant les deux plaques (12, 14) est déterminée pour remplir la condition de Mauguin d > AB n afin de travailler en mode guide d'onde.

22. Dispositif optique selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisé par le fait qu'un colorant dichroïque est additionné au matériau cristal liquide (20) de sorte que le dispositif travaille en mode d'absorption.

23. Dispositif optique selon l'une des revendications 1 à 22, caractérisé par le fait que le matériau cristal liquide (20) présente une anisotropie diélectrique positive.