FR2740893A1 - Dispositif d'affichage perfectionne a base de cristaux liquides et a effet bistable - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un dispositif d'affichage comprenant deux plaques transparentes parallèles (10, 12) munies d'électrodes transparentes sur leurs surfaces internes et contenant un matériau cristal liquide (20), caractérisé par le fait que: les plaques (10, 12) définissent un ancrage des molécules de cristal liquide possédant au moins une composante planaire et des seuils d'ancrage différents, l'épaisseur du dispositif entre les deux plaques (10, 12) est suffisamment faible pour permettre un couplage hydrodynamique entre le surfaces internes de celles-ci, et il est prévu des moyens (40) aptes à appliquer entre les électrodes des deux plaques alternativement une impulsion de champ électrique d'écriture supérieure à un seuil apte à casser les ancrages sur les deux plaques (10, 12) pour définir, après interruption de ce champ électrique, un premier état stable tordu résultant d'un couplage hydrodynamique entre les deux plaques (10, 12) et un deuxième champ électrique inférieur audit seuil apte à casser un seul ancrage ou à front descendant variant lentement pour découper les basculements sur les deux plaques, afin de définir un second état stable homogène.

Description

La présente invention concerne le domaine des dispositifs d'affichage à base de cristaux liquides.

La présente invention a pour but de perfectionner les dispositifs d'affichage à cristaux liquides pour permettre l'obtention d'un nouvel effet bistable.

Ce but est atteint selon la présente invention gracie à un dispositif d'affichage comprenant deux plaques transparentes parallèles munies d'électrodes transparentes sur leurs surfaces internes et contenant un matériau cristal liquide, caractérisé par le fait que - les plaques définissent un ancrage des molécules de cristal liquide possédant au moins une composante planaire, et des seuils d'ancrage différents, - I'épaisseur du dispositif entre les deux plaques, est suffisamment faible pour permettre un couplage hydrodynamique entre les surfaces internes de celles-ci, et - il est prévu des moyens aptes à appliquer entre les électrodes des deux plaques alternativement une impulsion de champ électrique d'écriture supérieure à un seuil apte à casser les ancrages sur les deux plaques pour définir, après interruption de ce champ électrique, un premier état stable tordu résultant d'un couplage hydrodynamique entre les deux plaques, et un deuxième champ électrique inférieur audit seuil apte à casser un seul ancrage ou à front descendant variant lentement pour découpler les basculements sur les deux plaques, afin de définir un second état stable homogène.

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'exemple non limitatif et sur lesquels - les figures la et lb illustrent schématiquement deux textures de cristaux liquides nématiques obtenues avec des ancrages planaires, - la figure 2 illustre l'alignement forcé des molécules de cristaux liquides d'anisotropie diélectrique positive, sur un champ électrique appliqué, - la figure 3 illustre la courbe reliant l'angle des molécules en surface des électrodes par rapport à une normale aux plaques et le champ électrique appliqué, - la figure 4 illustre la courbe reliant le seuil de champ pour casser les ancrages et la durée de l'impulsion de champ appliquée, - les figures Sa, Sb, Sc et 5d illustrent schématiquement quatre textures obtenues successivement lorsque l'on abaisse progressivement le champ électrique appliqué, - les figures 6a, 6b, 6c et 6d illustrent les textures obtenues lorsque au contraire on coupe brusquement le champ électrique, - la figure 7 schématise un courant de masse obtenu près d'une plaque lorsque le champ électrique est interrompu, - la figure 8 représente schématiquement un cisaillement d'écoulement localisé adjacent à une plaque et s'étalant jusqu'à l'autre plaque lors de la coupure du champ électrique de commande, - la figure 9 illustre l'effet de couplage hydrodynamique entre les deux plaques, - la figure 10 illustre une structure de flexion obtenue grâce au couplage hydrodynamique, - la figure 11 illustre une structure tordue obtenue après la relaxation de la structure de flexion de la figure 10, - la figure 12 illustre le basculement de molécules sur une seconde plaque sous l'effet d'un couplage hydrodynamique, - les figures 13, 14 et 15 schématisent l'orientation azimuthale des molécules et le couple azimuthal obtenu sous l'effet du couplage hydrodynamique pour différentes orientations relatives entre les directions d'ancrage facile, - la figure 16 schématise la structure obtenue lorsqu'un seul ancrage est cassé, - la figure 17 schématise deux plaques superposées possédant des directions d'orientation facile tournées l'une par rapport à l'autre, - la figure 18 illustre schématiquement une cellule conforme à la présente invention, - la figure 19 représente schématiquement un écran matriciel conforme à la présente invention, - les figures 20, 21 et 22 représentent schématiquement trois types de signaux électriques de commande, et - les figures 23 et 24 représentent des courbes tension de commutation/durée du champ électrique respectivement pour du SCB pur et du SCB dopé.

La présente invention est basée sur les études et expérimentations qui vont maintenant être exposées.

Les cristaux liquides nématiques peuvent former différentes textures pour des conditions d'ancrage identiques sur les deux plaques transparentes 10, 12 de confinement d'une cellule d'affichage : par exemple pour des ancrages faciles à réaliser dits "planaires" monostables, on peut obtenir les deux textures illustrées sur les figures la et lb. Selon la texture illustrée sur la figure la, les molécules 20 de cristaux liquides sont toutes parallèles entre elles dans le volume, et en surface sur les plaques 10, 12. Par contre, selon la texture illustrée sur la figure lb, les molécules 20 de cristaux liquides présentent une structure tordue de 1800, c'est-à-dire que les molécules tout en restant parallèles aux plaques 10, 12, tournent progressivement de 1800, d'une plaque 10, à l'autre 12.

Ces deux textures des figures la et lb ont des propriétés optiques différentes, et pourraient être utilisées en théorie pour définir deux états, noir et blanc, de transmission de lumière polarisée, en conservant les conditions d'ancrage aux surfaces sur les plaques 10, 12. On ne peut pas passer par déformation continue de l'une à l'autre (elles sont "topologiquement" différentes) ; on ne peut le faire qu'en créant des défauts qui représentent une barrière d'énergie importante devant l'agitation thermique : même si l'énergie des deux textures a et b est très différente, en l'absence de défauts, ces états peuvent être considérés comme éternellement stables.

La présente invention vise à commander la transition entre ces deux textures, pour permettre la réalisation de pixels stables, donc des afficheurs à cristaux liquides bistables.

On sait (voir document [1]) que l'on peut "casser" les ancrages de surface, en utilisant un champ électrique E normal aux plaques (voir figure 2) et un cristal liquide nématique d'anisotropie diélectrique positive Ea = e//- El > 0, qui force l'alignement le long du champ. Le champ critique pour casser l'ancrage est défini par la condition #=1
OÙ tE est donnée par > tE2 = (#a/4#) E2
K est la constante élastique de courbure (-10-6 cgs) et I est la longueur d'extrapolation définissant l'énergie d'ancrage zénithale. Cette énergie s'écrit: Wus = (1/2) (K/l) cos2 Os (0s angle des molécules en surface).

Pour des ancrages "forts", I -1000A, on trouve Es -SV/ > m et pour des ancrages "faibles", (l-1pm), Es - 0,5 V/rm. Pour E croissant et s'approchant de Es, l'angle en surface Os passe rapidement de 904 à 0. Audessus de Es, l'angle Os reste nul, la surface est dite "cassée". La courbe reliant ûs et E est illustrée sur la figure 3.Quand on applique le champ E sous forme d'une impulsion de longueur T, le seuil augmente quand T diminue (voir document [2]), mais la dynamique de surface étant rapide, on peut obtenir la brisure de l'ancrage de surface avec des tensions qui restent modérées: par exemple de l'ordre 30V, pour des temps T - 10,us, avec le cristal liquide 5CB à température ambiante (Ea - 10). La courbe reliant le seuil Es et la durée T de l'impulsion est illustrée sur la figure 4.

Quand les deux ancrages de surface sont cassés, la texture de la cellule est uniforme (comme illustré sur la figure 2), et n'a aucune mémoire de l'état initial, puisque les molécules 20 vues par le bout ne peuvent garder aucune torsion.

L'effet utilisé dans le cadre de l'invention pour commander les textures est un effet dynamique.Il repose sur les études et constatations suivantes.

Supposons d'abord qu'on ait cassé les deux ancrages des plaques 10 et 20 comme expliqué précédemment; si l'on baisse lentement le champ électrique, à chaque instant, le système va choisir son état de moindre énergie, pour définir une texture lentement variable.

A partir de l'orientation homéotrope illustrée sur la figure 2, sous champ électrique, en champ nul, ces textures vont toujours vers l'état non tordu illustré sur la figure 5d, d'orientation planaire, en passant par une situation intermédiaire illustrée sur les figures 5b et 5c où les molécules sur les deux surfaces des plaques 10, 12 tournent dans la même direction, en restant parallèles. Ceci provient d'une interaction élastique entre les plaques 10, 12, qui minimise la courbure et l'énergie de courbure du système.

En revanche, si l'on coupe brutalement le champ électrique l'effet obtenu est très différent comme illustré sur la figure 6.

Les effets dynamiques sont contrôlés par deux temps caractéristiques: celui du volume Tv et celui de la surface tS.

tv est donné universellement par l'élasticité de courbure sur l'épaisseur d de l'échantillon, comme: l/lV = KJd21l où n est une viscosité (#=0.1 ou 1 poise).

#s est donné par la même formule, où d est remplacé par la longueur d'extrapolation de surface L l/Ts = K/l 2tl.

Comme I d, #s est très inférieur à TV ; typiquement, pour d = 1 p, et l~1000 , #v= 1 msetlS= 10 s.

Quand on relache le champ E, les molécules sur les deux surfaces tournent rapidement pendant leur temps TS , les molécules en volume restant quasi immobiles. A cette échelle de temps, le couplage élastique entre les plaques 10 et 12 est négligeable, mais il existe un couplage hydrodynamique. A la rotation des molécules est associé un courant de masse (voir document [3]). Ce courant existe près de chaque plaque, sur une épaisseur -l Sa vitesse V est environ V = l /Ts. Un tel courant est schématisé sur la figure 7.

Supposons que la plaque 12 ait un seuil Es 12 supérieur à celui
Es 10 de la plaque 10. Dans ce cas, les molécules 20 adjacentes à la plaque 12 tendent à revenir à l'état planaire avant les molécules adjacentes à la plaque 10. Et le retour des molécules de surface adjacentes à la plaque 12, de l'orientation os = 0 à l'orientation stable 05 = 90 (dite planaire) produit un cisaillement d'écoulement V localisé sur l comme schématisé sur la figure 8.

Ce cisaillement diffuse sur l'épaisseur de la cellule d dans un temps classiquement donné par la relaxation des tourbillons (équation de
Navier-Stokes en hydrodynamique) par: 1/TD = n/d2p où p est la masse spécifique (p - 1).

Si TD < Ts, l'information du basculement sur la plaque 12 arrive sur la plaque 10 pendant son basculement, et les deux plaques 10 et 12 sont couplées hydrodynamiquement. Cet effet hydrodynamique est transitoire et ne dure que le temps de basculement Ts.

Pendant le temps de diffusion TD, le profil de vitesse s'allonge de la plaque 12 vers la plaque 10. L'amplitude de vitesse devient v - Vl/d, puisque on répartit le mouvement de la tranche 1, vers la tranche d. Il apparait sur la plaque 10 un gradient de vitesse v/d qui entraine le basculement des molécules de la plaque 10 dans la direction de v.

Le couplage hydrodynamique entre les basculements de surface des deux plaques 10, 12 peut être assez fort (ceci sera explicité par la suite).

Alors, la situation de basculement favorisée est toujours celle de la figure 9, où les molécules sur les deux surfaces tournent en sens opposé, et où le courant hydrodynamique total v est uniforme dans la cellule, pour minimiser la friction. On obtient donc toujours une rotation de 1800 entre les orientations des deux plaques 10, 12. Cette rotation peut être une flexion comme illustré sur la figure 10, généralement instable, qui se transforme en une torsion de 1800 d'énergie élastique plus faible, donc une texture tordue comme illustré sur la figure 11.

Si le couplage hydrodynamique est faible, on pourrait obtenir au hasard l'une ou l'autre des textures a ou b illustrées sur la figure 1, mais à cause de l'interaction élastique, la texture uniforme est généralement obtenue.

L'influence de la force du couplage va maintenant être explicitée.

Supposons que la plaque 12 a un seuil Es plus élevé que la plaque 10. Si après avoir appliqué ce champ Es pour casser les ancrages, on baisse le champ E brutalement à zéro, la plaque 12 voit ses molécules tourner rapidement pendant Ts et créer le cisaillement v/d sur la plaque 10, avec
TD < tg
Pour diverses raisons (couplage élastique, hysteresis, etc ...), les molécules sur la plaque 10 peuvent vouloir tomber de la direction O=O vers la position stable planaire oS=90 en restant parallèles aux molécules qui tournent sur la plaque 12 (direction #a). Si ce mouvement continue, il va donner une texture finale uniforme. Le cisaillement de gradient de vitesse v/d donne en volume une densité de couple llv/d sur les molécules.La somme de ces couples de volume est un couple de surface (tiv/d) d ~ #v = Vi /d qui va faire tourner les molécules de surface dans le sens oH comme illustré sur la figure 12.

Pour obtenir le basculement qui crée une structure tordue comme illustré sur la figure 11, le couple de surface ainsi obtenu doit donc être supérieur au couple d'ancrage qui fait tourner dans la direction oa (figure 12).

Cette condition est: (K/l) es < T' Vi /d. En remplaçant V par i /Ts, avec l/l5 = K/l 2#, on obtient: Os < i/d #s est de l'ordre de la variation d'angle pendant le temps TD, donc de l'ordre de #D/#s = (K#/#) (d/l). La condition devient: d/l < (tl2 / Kp)1/3 avec # - 0,1 poise, on a: d < 20 1. Si l -1000 , d doit être inférieur à 2 m.

Cependant, comme d=2pm est l'épaisseur type des échantillons, cette condition est parfois un peu délicate à réaliser. Il faudrait utiliser des ancrages faibles, avec un temps de réponse plus long.

Il est donc proposé dans le cadre de l'invention, une méthode de couplage hydrodynamique des ancrages plus efficace, et qui fonctionne pour les ancrages forts.

Jusqu'à présent, seul l'ancrage zénithal en # s, qui est généralement plus fort a été pris en compte. Mais il existe aussi une direction privilégiée azimutale sur les plaques qui s'orientent "planaires" dans une direction définie. Appelant ç l'angle azimutal des molécules par rapport à cette direction, l'énergie de surface doit s'écrire
Ws = (1/2) (K/l ) cos2 os + (1/2) (K/L) sin2 os sin2 #.

où L est la longueur d'extrapolation définissant l'énergie d'ancrage azimutale K/L
En général, le terme azimutal a une amplitude d'un ordre de grandeur plus faible (voir document [1]) que le terme zénithal : L est d'un ordre de grandeur supérieur à L Si l'on regarde la plaque inférieure 10 en vue de dessus, on suppose que les molécules de surface se sont inclinées d'un angle ûs, après le temps TD comme illustré sur la figure 13.

Si la direction planaire sur la plaque 10 est P, les molécules peuvent prendre les deux états possibles P1 et P2 sur celle-ci. Pour forcer les molécules à tomber sur l'état P2 qui donnera le demi-tour et non l'état
P1, il suffit de déplacer l'extrémité m de la molécule de l'autre côté de yy', médiatrice de P1, P2 (figure 13). Pour ce faire, au lieu de changer Os en déplaçant m le long de P1 P2, il est plus efficace de tourner m à 8, constant, sur le cercle C (figure 13). Il suffit pour cela de tourner la direction d'ancrage facile de la plaque supérieure 10 d'un angle a par rapport à P1
P2. La vitesse v est dans la direction a et produit un alignement final f.Le couple exercé par le gradient de vitesse transitoire est maintenant équilibré par la seule réaction de l'énergie d'ancrage azimutal, la condition des couples s'écrit ici pour OS petit: KA < Wd ,
La condition à réaliser est maintenant: Os < L/d. Comme L est un ordre de grandeur plus grand que 1, la condition de couplage est plus facile à réaliser. On trouve finalement: do = de (I/i ) > 'le
Il existe un angle optimal de rotation a des deux plaques.Si a est très petit, on va basculer très près de P2 (à 180 - a - 1800), mais on aura du mal à exercer le couple initial de rotation azimutale : le système préférera changer OS avec moins d'efficacité, comme illustré sur la figure 14. En revanche, si a est voisin de 90 , on obtiendra le couple azimutal le plus fort possible, comme illustré sur la figure 15 mais la rotation obtenue sera seulement de 90 , inefficace pour assurer le basculement, puisqu'elle place le système juste sur la ligne d'égale énergie entre P1 et P2.Il existe une valeur optimale qui peut être autour de 45 , ou de 135 si les ancrages ont une polarité définie dans le plan, comme c'est le cas de SiO évaporé ou d'un polymère frotté unidirectionnellement.

Pour effacer un état tordu "1/2 tour" tel que schématisé sur la figure la, il suffit de ne "casser" qu'un seul ancrage de surface si on procède rapidement, ou de descendre lentement le champ appliqué pour découpler dans le temps les deux basculements de surface, supposés de seuils différents. On choisira dans tous les cas des traitements de surface donnant des seuils d'ancrage différents, sur les deux plaques 10, 12.

Le principe du déroulement de la torsion en 1/2 tour repose sur le phénomène suivant. Quand une des deux surfaces est cassée seulement comme schématisé sur la figure 16, ou quand on relâche successivement les deux ancrages à un intervale de temps > TS, il n'y a plus d'effet hydrodynamique de couplage : les couplages élastiques dominent, l'orientation verticale d'une surface ne peut conserver la torsion qui disparait. La torsion en 1/2 tour est donc effacée.

Sur la base des constatations qui précèdent, les inventeurs proposent de réaliser un afficheur (en fait un pixel), à l'aide de deux lames 10, 12 traitées pour donner des ancrages planaires Al et A2 (ou à composante planaire) différents. Ces ancrages couplés à un nématique de 80 ont respectivement des seuils de cassure El et E2. On les place à a=450 l'un de l'autre comme schématisé sur la figure 17 ou à un autre angle a, différent de 0 , 90 , 180 ou de 270 , mais qui optimise le couplage hydrodynamique en rotation.

Cet angle a est aussi choisi pour donner un bon contraste entre la texture initiale, qui est maintenant tordue de l'angle a, et la texture finale dite 1/2 tour", qui est maintenant tordue d'un angle 180"-a. Pour inscrire, on applique une impulsion de champ électrique supérieure aux deux seuils E > E1 et E > E2.On coupe brutalement le champ: on obtient toujurs l'état 180"La, sous l'effet du couplage hydrodynamique, quel que soit l'état initial a ou 180"La. Pour effacer, on applique une impulsion E comprise entre El et E2 en coupant rapidement l'impulsion, ou une impulsion d'intensité supérieure aux deux seuils El et E2, mais dont on abaisse lentement l'amplitude, pour découpler les basculements sur les deux plaques 10, 12 ; on obtient toujours l'état a, quel que soit l'état initial a ou 180"La.

Les moyens d'alimentation conçus pour appliquer de telles impulsions de commande sont schématisés sous la référence 40 sur la figure 18.

Le contraste optique entre les deux états d'un tel pixel dépend de l'épaisseur de l'échantillon et de l'orientation des polariseurs 30 et analyseurs 32 utilisés (voir figure 18).

Ce problème d'optimisation est connu des spécialistes (voir document 4). En pratique, pour chaque cristal liquide et chaque cellule, on trouve une position des polariseurs 30, 32 qui donne un pixel quasi transparent pour l'un des états, et un pixel quasi noir pour l'autre état.

Le système de commutation décrit précédemment possède des seuils, et une mémoire quasi infinie. Il est donc en principe quasi-bistable et multiplexable à l'infini. Pour le multiplexer, il suffit dans un écran matriciel comportant des lignes et des colonnes comme schématisé sur la figure 19, d'ouvrir une ligne en lui appliquant une tension légèrement inférieure à V = E1d, seuil supérieur en tension de la surface la plus dure à casser. On applique sur les colonnes une tension + v. La tension résultante sera V - ( t v) = V-v ou V+v. V-v est inférieur au plus grand seuil.Si on a choisi Ivl < (E1-E2)d, V-v est supérieur au petit seuil et donc "efface". V+v est supérieur au grand seuil, il "inscrit". On a intérêt à choisir v le plus petit possible pour ne pas soumettre les autres lignes à une tension alternative d'amplitude (tv) qui pourrait créer des instabilités d'autre type, par exemple l'instabilité de Freedericks ; on choisira v de l'ordre de 1 volt, par exemple v s 1 volt typique pour ce faire. Le seuil le plus élevé devra donc être bien défini et uniforme. La valeur du seuil le plus faible est moins contraignante. Elle ne peut pas être trop faible pour que le système reste rapide. En pratique, on choisira donc des ancrages donnant des valeurs de seuil en volt, voisines à 1 volt près.Comme les seuils typiques sont de l'ordre de 10V/ > m (document 1), pour une cellule de 2 pm d'épaisseur, les seuils doivent différer de S à 10%.

Pour réaliser des seuils d'ancrage et donc de tension de cassure peut différents sur les deux plaques 10, 12, on peut avoir intérêt à utiliser une même technologie de préparation des surfaces (évaporation oblique de SiO ou polymère frotté en surface par exemple) mais à jouer sur la polarité des seuils. On peut ainsi presque annuler ou amplifier une différence de seuil existante faible. On peut utiliser pour cela l'effet flexoélectrique ou l'effet de transport d'ions.

Les deux ancrages sur les deux plaques 10, 12 jouent dans le mécanisme proposé des rôles interchangeables. Donner une différence de seuil entre les deux ancrages liée à la polarité du champ appliqué n'a de sens que si la cellule est initialement dissymétrique, avec deux champs seuils différents E1#E2 donc deux tensions seuils différents V1 et V2.

Une première façon de jouer sur les seuils est d'utiliser l'effet flexoélectrique qui décale les forces d'ancrages proportionnellement au champ appliqué (voir document 5). Cet effet est d'ordre relatif e/(K) 1/2 -quelqueslO-1, c'est-à-dire moyen ou faible.

Un effet polaire plus fort peut être obtenu avec un dopage d'ions. On observe en effet une dépendance de l'énergie d'ancrage en fonction de la polarité, par l'expérience suivante:
On prend une cellule tordue à 45 , avec deux ancrages planaires obtenus par une même évaporation de SiO. On choisit une épaisseur de cellule de 6 rm. La texture est tordue et la lumière polarisée suit cette torsion lente. On applique des impulsions électriques carrées, longues de
100 ms, de polarité définie. L'amplitude des impulsions varie de 0 à 40 V.

Le temps long est choisi pour être sûr de transporter tous les ions de la cellule d'une plaque à l'autre. La cellule contient du pentylcyanobiphényl (5CB) à température ambiante, dopé à 10-3 mole de tétraphénylborate de sodium, qui donner deux ions : Na+ et T < aB-. On observe pendant l'application du champ l'orientation des axes propres et la biréfringence de la cellule en lumière polarisée. On peut ainsi déterminer quelle plaque a cassé : les axes propres s'alignent sur la direction de l'autre plaque, et à quelles valeurs du champ les deux ancrages cassent. Les résultats montrent que la surface qui attire les Na+ casse la première à V=3 V, c'està-dire à 0,5 V/ > m, un ordre de grandeur plus faible que d'habitude.L'autre plaque casse pour V=30 V, c'est-à-dire pour une valeur de champ de 5 V/pm (quasi normale).

On répète l'expérience avec un autre ion. On dope maintenant le nématique avec du chlorure de tétrabutyl ammonium, qui donne deux ions
Cl- et TBA+. On constate que la surface qui attire Cl- voit baisser son seuil jusqu'à l,5V/m. Si on dope avec le bromure de cétyltributyl ammonium, qui donne des sions Br- et CTBA+, on observe une baisse jusqu'à 1 V/pm. de l'énergie d'ancrage sur la surface qui attire l'ion CTBA+.

L'effet des deux premiers dopages peut se comprendre par l'affinité plus grande des ions petits et minéraux pour la surface de SiO. Ces ions créent un champ électrique normal à la surface, qui diminue la force d'ancrage comme si on avait appliqué un champ extérieur. Le troisième dopage s'explique par l'action des chaînes cétyl de 16 carbones. Quand le bout de chaine chargé se colle à la surface, la chaine induit une orientation perpendiculaire, qui diminue la force d'ancrage planaire.

L'homme de l'art comprendra qu'un rapprochement des seuils
El, E2 est favorable à la procédure d'inscription, en revanche un éloignement des seuils El et E2 est favorable à la procédure d'effacement.

Exemple de réalisation
Les inventeurs ont réalisé un afficheur avec le cristal liquide nématique pentylcyanobiphényl (5CB) qui a une phase nématique à température ambiante et une forte anisotropie diélectrique saw
L'afficheur comprend des lames 10, 12 de verre traitées ITO (Indium Tin
Oxyde) qui donnent des électrodes transparentes de faible résistance (30Q/carré). Celles-ci sont traitées par évaporation oblique de SiO, avec un angle d'évaporation de 75 , presque rasant, et des épaisseurs vraies de 2sA et 30A, connues pour donner un ancrage planaire, de force d'ancrage légèrement différentes (document 6).La cellule possède une épaisseur d=1,5 > m, avec une rotation a=45". La géométrie des orientations de la cellule est montrée sur la figure 18.

Cette cellule a permis d'obtenir pour la texture 45" une couleur jaune clair et une forte intensité transmise. Pour l'état 1 800-a=1350, une intensité transmise faible, de couleur bleu très foncé, presque noire a été obtenue.

Pour tester le modèle, les inventeurs ont appliqué au système des impulsions carrées de longueur fixe 300 ls et d'amplitude variable V de 0 à 40 volts. Le temps de descente était inférieure à 1 ,us. Un basculement clair vers foncé (blanc vers noir) a été obtenu à V=24,5 volts. En partant d'un état noir, les inventeurs ont toujours obtenu un état noir avec ces mêmes impulsions. Les inventeus ont ensuite appliqué une impulsion de même polarité sur cet état noir, mais d'amplitude 21,5 volts. Une transition noir vers blanc, correspondant à un effacement a été obtenu. Ces mêmes impulsions de 21,5 volts laissent inchangé un état initial blanc. L'état final du système ne dépend donc que de l'amplitude de V, à même polarité.Ce comportement est expliqué par les inventeurs par le fait que l'un des seuils est un peu inférieur à 24,5 V et l'autre inférieur à 21,5 V.

Pour vérifier que le comportement du système est contrôlé par la seule décroissance finale du signal de commande, les inventeurs ont réalisé les expériences suivantes
En premier lieu, les inventeurs ont utilisé des impulsions dont le front avant est linéaire en temps comme illustré sur la figure 20.

Plus précisément, les inventeurs ont choisi une durée de palier
X = 100 ps et on fait varier le temps de montée du front avant ' de 0 à 3tops.

Avec f=0, le système passe la transition blanc vers noir à V = 25 volts (ou noir vers noir si l'état initial est noir). Dans toute la plage utilisée pour ', le comportement ne change pas, le seuil reste à 25 volts t 0,5 volt. Ceci montre que seules l'amplitude et la descente d'impulsion sont efficaces.

En second lieu, les inventeurs ont utilisé des impulsions dont la descente est linéaire en temps comme illustré sur la figure 21. Pour des temps de descente de 0 < T' < 30ps le comportement reste inchangé. Au-delà, pour 30 < T' < 300ps, on obtient un effacement noir vers blanc en partant du noir et blanc vers blanc en partant du blanc. Pour T = 100 > s et ' = 0, on trouve un seuil V = 25 volts. Ce comportement confirme que seule la descente rapide de l'impulsion est efficace pour un effacement. En descendant linéairement, on décale dans le temps le déclenchement des deux seuils.Avec les valeurs 21 volts et 25 volts, le temps de décalage est de [(25-21)/25] 30ps - Spis.

Cette valeur est la valeur estimée du temps de basculement de surface.

Pour bien isoler les deux seuils dans une même expérience, les inventeurs ont utilisé ensuite une impulsion de forme bicarrée d'amplitudes V et V' et de durées T et T', comme illustré sur la figure 22.

Les inventeurs ont choisi T = 1 ms pour être sûr que le système ne se déclenche que sur la descente sans mémoire d'effet antéireur. Avec
V'=0, un déclenchement blanc vers noir ou noir vers noir a été obtenu à
V=22 volts.

Les inventeurs ont ensuite choisi V=30 volts pour être largement au-dessus du seuil. Et en prenant T' = 0,5 ms, ils ont fait varier
V'. Pour 30 volts > V' > 20 volts, l'inscription noire a été conservée. Pour 20 volts > V' > 7 volts, par contre le système devient un compteur binaire, c'est-à-dire qu'il produit des commutations blanc vers noir ou noir vers blanc. Entre zéro et 7 volts pour V', on retrouve l'inscription noire bien définie.

Les inventeurs ont ensuite changé la polarité de V' en gardant celle de V. Le même comportement a été observé: - 30 volts < V' < -20 volts : inscription du noir - 20 volts < V' < -7 volts : régime "compteur" - 7 volts < V' < 0 volt: inscription du noir.

En l'état de leurs travaux, les inventeurs expliquent le régime compteur par un effacement incomplet : le système se souvient de l'état initial.

Le résultat important de cette expérience est que pour V'=-V, on obtient l'inscription ; ceci est aussi vérifié pour T' = T = 1 ms. Les inventeurs ont donc montré qu'une commande en courant alternatif était possible.

Les inventeurs ont mesuré V(T) pour l'échantillon précédent.

Ils ont observé sur du 5CB pour la courbe de V inscription (X) illustré sur la figure 23. Ce comportement inscription/effacement à polarité fixée est satisfaisant jusqu'à T= 1 50ps. Pour des temps plus courts, on observe un régime "compteur".

Pour améliorer ce comportement, les inventeurs ont ensuite utilisé un cristal liquide 5CB dopé à 103 molaire de Na+ T aB-, d'épaisseur 1 ,Spm. Ils ont utilisé des impulsions positives pour l'inscription et négatives pour l'effacement. Ils ont obtenu alors un régime contrôlé d'inscription et d'effacement jusqu'à ions, à des tensions de 30 et 38 volts comme illustré sur la figure 24. A 30rs l'effacement et l'inscription ont été obtenu pour 22 et 26 volts.

En lumière blanche, les inventeurs ont obtenu un contraste de 20 entre les deux états.

Bien entendu la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation particulier qui vient d'être décrit mais s'étend à toute variante conforme à son espnt.

En particulier, la présente invention n'est pas limitée à l'utilisation de cristaux liquides nématiques. Elle s'étend également à l'utilisation de cristaux liquides de type cholestérique.

[1] Europhysics Letters, (25) (7) pp 527-531, 1994 "Critical Behaviour of a
Nematic-Liquid-Crystal Auchoring at a Monostable - Bistable Surface
Transition", M. Nobili et al.

[2] Liquid Crystals, vol. 12, n" 3, pp 515-520, 1992, "Dynamics of surface auchoring breaking in a nematic liquid crystal", A. Gharbi et al.

[3] P.G. de Gennes, "The Physics of Liquid Crystals", Clarendon Press,
Oxford 1974.

[4] Journal of Applied Physics, vol. 64, n" 2, pp 614628, 1988, "Origin and characteristics of the optical properties of general twisted nematic liquid crystal displays", H.L Ong.

[5] Journal de Physique Lettres, vol. 46, pp L195-L200, 1985, "Linear flexo electro-optic effect in a hybrid aligned nematic liquid crystal cell", N.V.

Madhusudana and G. Durand.

[6] Europhysics Letters, vol. 5, n" 8, pp 697-702, 1988, "Order Electricity and
Oblique Nematic Orientation on Rough Solid Surfaces", M. Monkade, M.

Boix, G. Durand.

Claims (19)

REVENDICATIONS

1. Dispositif d'affichage comprenant deux plaques transparentes parallèles (10, 12) munies d'électrodes transparentes sur leurs surfaces internes et contenant un matériau cristal liquide (20), caractérisé par le fait que: - les plaques (10, 12) définissent un ancrage des molécules de cristal liquide possédant au moins une composante planaire et des seuils d'ancrage différents, - l'épaisseur du dispositif entre les deux plaques (10, 12) est suffisamment faible pour permettre un couplage hydrodynamique entre les surfaces internes de cellesci, et - il est prévu des moyens (40) aptes à appliquer entre les électrodes des deux plaques alternativement une impulsion de champ électrique d'écriture supérieure à un seuil apte à casser les ancrages sur les deux plaques (10, 12) pour définir, après interruption de ce champ électrique, un premier état stable tordu résultant d'un couplage hydrodynamique entre les deux plaques (10, 12) et un deuxième champ électrique inférieur audit seuil apte à casser un seul ancrage ou à front descendant variant lentement pour découpler les basculements sur les deux plaques, afin de définir un second état stable homogène.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le matériau cristal liquide (20) est un cristal liquide nématique.

3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le matériau cristal liquide (20) est un cristal liquide cholestérique.

4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le matériau cristal liquide (20) possède une anisotropie diélectrique positive.

5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que l'épaisseur (d) du matériau cristal liquide est inférieure à I /wus, relation dans laquelle: l représente la longueur d'extrapolation définissant l'énergie d'ancrage zenithal, et

Os représnte l'angle des molécules en surface.

6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que l'épaisseur du matériau cristal liquide est inférieure à L/ os, relation dans laquelle L représente la longueur d'extrapolation définissant l'énergie d'ancrage azimuthal et ûs représente l'angle des molécules en surface.

7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que l'épaisseur (d) du matériau cristal liquide (20) est inférieure à 2con.

8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que les directions d'ancrage facile sur les deux plaques (10, 12) sont non parallèles entre elles.

9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé par le fait que les directions d'ancrage facile sur les deux plaques (10, 12) sont non orthogonales entre elles.

10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que les directions d'ancrage facile sur les deux plaques (10, 12) sont tournées d'environ 45" ou 135".

11. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait qu'il est conformé en écran matriciel comportant des lignes et des colonnes et que les moyens d'alimentation (40) sont adaptés pour ouvrir une ligne en lui appliquant une tension légèrement inférieure à

V=Elod, seuil supérieur en tension de la surface la plus dure à casser et pour appliquer sur les colonnes une tension *v < * IE1-E21d soit une tension inférieure à l'écart en tension entre les seuils des deux surfaces.

12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé par le fait que la tension appliquée aux colonnes est au seuil de l'instabilité de

Freedericksz soit de l'ordre de 1 volt.

13. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé par le fait que les traitements de surface sur les deux plaques (10, 12) sont adaptés pour définir des seuils d'ancrage qui diffèrent de 5 à 10%.

14. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé par le fait que les seuils d'ancrage dépendent de la polarité du champ électrique appliqué.

15. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé par le fait que le matériau cristal liquide (20) est dopé par des ions permettant de modifier les seuils de basculement des molécules sur l'une au moins des plaques.

16. Dispositif selon la revendication 15, caractérisé par le fait que les ions sont choisis dans le groupe comprenant du tétraphénylborate de sodium, du chlorure de tétrabutyl ammonium et du bromure de cétyltributyl ammonium.

17. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisé par le fait que le temps de descente de la tension de commande d'écriture est inférieur à 30rus.

18. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 17, caractérisé par le fait que le temps de descente de la tension de commande d'effacement est supérieur à 30,us.

19. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 18, caractérisé par le fait que les moyens de commande électriques (40) sont adaptés pour appliquer une tension électrique alternative.