FR2762915A1 - Cellule comprenant une plaque a ancrage controle pour cristaux liquides nematiques et procede de realisation d'une telle plaque - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne une cellule à cristaux liquides comprenant au moins une plaque (100) à ancrage contrôlé comprenant au moins deux couches (120, 130) superposées ayant chacune un effet d'alignement sur les molécules nématiques (150) se trouvant au voisinage d'une même surface (133) de la plaque (100), ces deux couches (120, 130) n'ayant pas la même direction d'alignement (P, L).

Description

La présente invention concerne le domaine des dispositifs monostables et

multistables à base de cristaux

liquides nématiques.

On sait depuis longtemps obtenir un alignement uniforme d'un cristal liquide nématique sur les plaques de confinement de celui-ci grâce à des traitements de surface appropriés. Les films polymérisés thermiquement et soumis à un frottage permettent par exemple d'obtenir une direction d'alignement des molécules nématiques qui est confondue avec la direction de frottage, comme décrit dans [1] et [2]. Ce premier type de traitement permet d'obtenir des

surfaces à texture uniforme.

Il existe également des polymères qui donnent une orientation perpendiculaire par rapport à la direction de

frottage ([3]).

Il est également possible d'obtenir des ancrages

obliques grâce à de simples couches de polymères frottées.

Ces différents résultats sont très souvent justifiés par une modélisation élastique proposée depuis longtemps par D.H. Berreman ([4]). Cette modélisation est basée sur un processus de relaxation d'énergie élastique en excès dans le volume associé à la morphologie de la

surface anisotrope obtenue par le procédé de frottage.

Des surfaces anisotropes peuvent aussi être obtenues au moyen d'un dépôt oblique de SiO sur un

substrat solide, réalisé sous vide et finement contrôlé.

Par cette technique, il est possible d'obtenir différents types d'ancrages (planaire monostable, oblique monostable et oblique bistable). Le type d'ancrage obtenu dépend des paramètres de dépôt, essentiellement de l'épaisseur de la

couche de SiO et de l'angle de dépôt.

Comme décrit dans le document [5], les propriétés d'ancrage sur les surfaces obtenues par cette dernière technique peuvent s'inscrire dans une généralisation du

modèle de Berreman.

Une technique de traitement de surface plus récente est la photopolymérisation linéaire (PPL). Un film de polymère photosensible est, selon cette technique, polymérisé au moyen d'une lumière UV polarisée linéairement. La direction d'ancrage résultante est habituellement perpendiculaire à la direction de polarisation de la lumière UV incidente, comme le

mentionnent M. Shadt et al.([6]).

Comme le montrent J. Chen et al. ([7]), il est également possible d'obtenir des textures de surface nématique dont le directeur soit parallèle à la direction

de polarisation de la lumière UV.

L'alignement du nématique sur le polymère s'explique en termes de transformations chimiques de la structure du polymère, induites par la photopolymérisation linéaire. Cette technique ne soumet le substrat à aucune

sollicitation mécanique directe.

A ce jour, on a proposé des dispositifs d'affichage bistables commandés par effet flexoélectrique (voir documents PCT/FR91/00496, W092/00546 et US-5 357 358), ou par effet électrochiral (voir documents

PCT/FR91/00052 et W091/11747).

On trouvera également un exemple de dispositif bistable dans la demande de brevet français FR-95 13324 "dispositif d'affichage bistable à base de cristaux

liquides nématiques autorisant des teintes de gris".

Ce dispositif se base sur la création d'un réseau effaçable de défauts de surface sur un substrat adapté. Il utilise un ancrage azimutal faible constituant un ancrage

planaire quasi-bistable.

Ce type d'ancrage est obtenu à partir d'une surface monostable ayant un axe facile no qui correspond à un minimum très plat d'énergie de surface. Les directions d'ancrage légèrement obliques par rapport à no correspondent donc à des états de surface nématiques ayant seulement une énergie légèrement supérieure à l'énergie minimum correspondant à une orientation du nématique selon l'axe facile no. La topologie de ce type d'ancrage permet un contrôle électrique (création ou suppression) des défauts de surface (murs x), ces défauts agissant en tant que

dépolariseurs pour la lumière.

Le mode de fonctionnement de ces différents dispositifs est basé sur la possibilité de commuter entre deux (ou plus) états optiques différents correspondant à des configurations différentes de directeurs de surface et

donc à différentes textures de volume.

Le fait que le changement d'état optique de la cellule soit lié à une variation de l'état du nématique sur une surface permet d'obtenir d'excellentes performances en termes de temps de réponse électrique. En effet, la dynamique de surface est plus rapide d'un ordre de grandeur que la dynamique de volume du cristal liquide nématique, exploitée auparavant dans les dispositifs nématiques. De plus, la possibilité de commuter entre deux états aussi stables l'un que l'autre permet d'obtenir des possibilités de multiplexage très larges, qui sont essentielles dans les techniques d'adressage de matrices

étendues, comme on peut le voir dans [8].

Ainsi, l'homme de l'art sait qu'en utilisant les propriétés d'ancrage bistable des cristaux liquides

nématiques, on peut réaliser des dispositifs électro-

optiques caractérisés par un temps d'adressage électrique de l'ordre de quelques micro-secondes, et un temps de réponse optique de l'ordre d'une milliseconde, donc tous

deux très rapides.

Ces propriétés permettent plus largement de construire des dispositifs matriciels de grandes dimensions avec une haute résolution et des capacités de

multiplexage infinies.

Les traitements de surfaces pour obtenir des ancrages bistables de nématiques sur une même surface sont

d'une importance fondamentale.

Le document [9] fait état d'une recherche systématique sur les revêtements par SiO réalisés sous vide, sur des substrats solides, pour obtenir des ancrages

bistables nématiques.

Les méthodes dont il est question dans ce document, très appréciables en termes de propriétés d'ancrage, sont peu adaptables à un environnement industriel. Il est d'une part difficile de revêtir des panneaux étendus de verre en assurant une uniformité adaptée, et la région bistable n'existe d'autre part que

pour une gamme assez étroite des paramètres de dépôt.

Par ailleurs, les caractéristiques d'ancrage du revêtement SiO varient avec la température, et il est possible de sortir des limites de bistabilité uniquement

en modifiant la température.

La possibilité d'améliorer la technologie des dispositifs à base de cristaux liquides nématiques utilisant les ancrages bistables dépend aujourd'hui de l'élaboration d'un nouveau traitement de surface qui produise une bistabilité de surface et qui soit facilement

opérable dans un processus industriel.

La présente invention se propose de répondre à cette attente. Plus généralement, elle propose un traitement de surface qui permet d'obtenir des ancrages bistables azimutaux, quasi-bistables planaires ou des ancrages inclinés pour cristaux liquides nématiques dans lequels la ou les directions d'ancrage sont finement

contrôlées.

Ce but est atteint selon la présente invention grâce à une cellule à cristaux liquides comprenant au moins une plaque à ancrage contrôlé, comprenant au moins deux couches superposées ayant chacune un effet d'alignement sur les molécules nématiques se trouvant au voisinage d'une même surface de la plaque, ces deux

couches n'ayant pas la même direction d'alignement.

D'autres techniques pour obtenir des surfaces à

ancrages bistables pour nématiques ont été proposées.

On connait notamment les surfaces à ancrages

bistables obtenues par double exposition de films photo-

orientés de type Langmuir-Blodgett à une lumière ultra-

violet polarisée, comme proposé dans [14].

On connait également les surfaces obtenues par deux frottages dans deux directions différentes, qui présentent une double péridicité géometrique. Ces surfaces ont été proposées par la Defense Agency, Malverne,

Royaume-Uni, et notamment par G.P. Bryan-Brown, M.J.

Towler, M.S. Bancroft, et D.G. Mac Donnel.

Un autre but de la présente invention est de proposer un procédé de traitement de surface présentant deux sources d'ancrage en compétition dans lequel il est possible de contrôler les forces d'ancrages relatives de

ces sources.

Ce procédé est compatible avec les contraintes

industrielles en matière de traitements de surface.

Un procédé proposé selon l'invention est un procédé de réalisation d'une plaque à ancrage contrôlé sur sa face supérieure, dans lequel on réalise les étapes suivantes: a) réalisation d'une première couche apte à produire un premier effet d'alignement sur sa face supérieure selon une première direction planaire; b) dépôt sur cette première couche d'une seconde couche apte à produire, éventuellement après un traitement supplémentaire, un second effet d'alignement sur sa face supérieure selon une seconde direction différente de la première, la seconde couche étant apte à transmettre sur sa face supérieure une partie du premier effet d'alignement induit par la première couche. 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 annexes donnés à titre d'exemples non limitatifs, et sur lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe d'une plaque conforme à l'invention, le plan de coupe étant perpendiculaire au plan moyen de la plaque et parallèle à un vecteur principal d'ondulations d'une couche de SiO inférieure conforme à la présente invention; - la figure 2 représente un repère orthonormé lié à un dispositif d'affichage nématique conforme à l'invention, dans lequel figure un directeur d'orientation de molécules nématiques de surface; - la figure 3 est un graphe illustrant la dépendance d'une direction d'ancrage azimutal des molécules nématiques en fonction d'une durée d'exposition d'une plaque selon l'invention à une lumière UV polarisée; - la figure 4 est une photographie de cellule bistable conforme à l'invention, observée entre deux polariseurs croisés et dans laquelle l'axe optique d'une région de droite est aligné avec un des deux polariseurs; et - La figure 5 est une photographie d'une même cellule bistable, pivotée de sorte qu'une condition d'extinction

de lumière est obtenue pour une région de gauche.

Dans le cadre de la présente invention, le terme "compétition d'ancrages" signifie que la direction des molécules nématiques de surface résulte de l'effet exercé par plusieurs sources d'ancrage correspondant à des

directions d'ancrage différentes.

Comme il en est fait état dans le document [10], dans le cas d'ancrages zénitaux, une compétition d'ancrages se traduit par des changements d'orientation

qui sont du second ordre.

La figure 1 représente une plaque d'ancrage

bistable 100 conforme à la présente invention.

Dans un mode de réalisation préférentiel de l'invention, la plaque bistable 100 est l'une des deux plaques opposées d'une cellule sandwich de type connu. La seconde plaque de cette cellule sandwich, non représentée, est par exemple une plaque d'ancrage homéotrope. Ce type

de structure est appelée couramment structure "hybride".

Plus généralement, la plaque bistable 100 peut également faire partie de tout type de cellule à cristaux

liquides.

Ainsi, elle peut être la première plaque d'une cellule sandwich dont la seconde plaque est une plaque à ancrage bistable qui lui est identique, ou dont la seconde plaque est monostable à ancrage finement contrôlé conformément à l'invention, les orientations relatives des ancrages de la plaque 100 et de la seconde plaque de la cellule sandwich pouvant être adaptées en fonction de

l'effet désiré.

La plaque 110 est de préférence une plaque

isotrope de confinement constituée de verre ITO conductif.

La plaque 110 est munie selon l'invention d'un

revêtement bi-couche 120/130.

Dans un mode de réalisation préférentiel de l'invention, la première couche est une couche de SiO, référencée 120, qui présente des rainures de surface qui s'étendent perpendiculairement au plan de coupe de la figure 1, latéralement décalées l'une par rapport à

l'autre selon un écart constant k.

La deuxième couche est un film 130 de

photopolymère déposé sur la couche 120 de SiO.

La couche 120 de SiO est réalisée selon un mode connu de dépôt sous vide, avec une vitesse de dépôt de 5 A/s et avec un angle de 75 entre le faisceau de dépôt et la normale à la surface de la plaque de verre 110 en utilisant une balance à quartz perpendiculaire au faisceau

de dépôt et un temps de dépôt d'environ 20 secondes.

Cette technique est décrite dans [1] et [9].

Comme représenté sur la figure 1, un tel dépôt donne naissance à une couche constituée d'une alternance de bossages longitudinaux 124 et de dépressions longitudinales 126. Les bossages 124 et les dépressions 126 sont dirigés selon une même direction principale contenue dans le plan de la plaque de verre 110. Cette direction principale est perpendiculaire au faisceau de

SiO lors du dépôt.

La répartition des bossages longitudinaux 124 et des dépressions 126 perpendiculairement à cette direction principale est uniforme. Deux sommets de bossages 124 consécutifs sont ainsi toujours séparés d'une même

distance k, en tout point de la plaque 100.

De même, les points de profondeur maximale de deux évidements longitudinaux 126 consécutifs, sont séparés de cette même distance k. La morphologie de la couche 120

ainsi obtenue est donc uniforme et unidirectionnelle.

Chaque bossage 124 et dépression 126 a un contour sensiblement arrondi, et présente à chaque fois une symétrie par rapport à un plan central Q, vertical et dirigé selon ladite direction principale. Ainsi, l'intersection de la surface supérieure 123 de la couche 120 et du plan de coupe de la figure 1 définit une courbe

122 sensiblement sinusoïdale, de longueur d'onde k.

On définit une amplitude A de cette courbe sinusoïdale comme étant la distance mesurée verticalement entre un de ses sommets et un de ses points de profondeur maximale. Un tel substrat 120 constituerait à lui seul une surface d'ancrage planaire unidirectionnelle, selon ladite direction principale, pour un matériau nématique usuel. En d'autres termes, l'anisotropie du film de SiO ainsi obtenue pourrait être révélée par un alignement planaire uniforme bien défini, perpendiculaire au faisceau de dépôt

du SiO ([9]).

Une analyse morphologique préliminaire ([11]) réalisée au moyen d'un microscope à force atomique (Autoprobe par Park Scientific) a permis de savoir que ce film de SiO présente une rugosité de surface, c'est-à-dire d'amplitude A, de l'ordre de quelques dizaines d'Angstroems, qui est compatible avec l'uniformité requise

pour la couche de polymère.

La surface supérieure de la couche 120 est donc assez plane pour permettre un bon dépôt du film

polymérique réalisé sur tournette.

Le photopolymère constituant la couche 130 est un PVMC (Poly Vinyl 4Méthoxy-Cinnamate par Rolic), déposé sur tournette à 3000 RPM sur le substrat 120, puis traité selon un traitement thermique standard à 120 C pendant une

heure à une pression d'environ 10-3 mBar.

Comme représenté sur la figure 1, la couche 130 de polymère ainsi déposée n'a pas une épaisseur absolument constante. L'épaisseur de la couche 130 est plus grande dans les dépressions 126 qu'au niveau des sommets 124, de sorte que le polymère a tendance à remplir les dépressions 126. Ce phénomène étant uniforme sur l'ensemble de la surface de la couche 120, et progressif en partant d'un sommet donné vers un de ses évidements adjacents, la surface supérieure 132 de la couche 130 présente également

un contour sinusoïdal dans le plan de la figure 1.

Ce contour sinusoïdal 132 a une amplitude Aeff, mesurée de la même façon que celle de la couche 120 de SiO, qui est sensiblement inférieure à l'amplitude A de la couche 120. Cette amplitude Aeff est uniforme sur la

surface 133.

La courbe supérieure 132 est, comme la courbe 122, sensiblement sinusoïdale, de même longueur d'onde X, Aeff est donc l'amplitude effective de la courbe 132 ou, autrement dit, du rainurage de surface en prenant en compte le fait que le film 130 de polymère aplanit la

topographie initiale de la surface 123 du SiO.

La morphologie de la surface 133 de la couche 130 diffère donc de celle de la couche 120 par le fait que son

amplitude Aeff est plus petite.

La couche de polymère 130 est ensuite linéairement polymérisée, de façon à induire une attraction nématique dans la direction perpendiculaire à celle du revêtement de SiO. Une telle force d'ancrage dans une direction

perpendiculaire à ladite direction principale, c'est-à-

dire dans une direction appartenant au plan de la plaque de confinement 110 et au plan de coupe de la figure 1, est obtenue de manière préférentielle par photopolymérisation polarisée linéairement selon ladite direction principale du plan de la plaque 110. La durée d'exposition de la couche 130 aux UV dépendra de la force d'ancrage recherchée. La photopolymérisation linéaire du film de PVMC a été réalisée par exposition à une lumière ultra-violet à large spectre émise par trois lampes fluorescentes OSRAM de 15 watts, référencées HNS- OFR. Ces échantillons à traiter ont été placés à une distance d'environ 10 cm des lampes. La lumière incidente a été linéairement polarisée

au moyen d'un polariseur dichroïque à UV Oriel 27320.

Dans un mode de réalisation préférentiel de l'invention, la plaque 100 constitue la plaque inférieure d'une cellule sandwich hybride, dont la plaque supérieure, non représentée, est réalisée à partir d'une plaque de verre ITO conducteur, revêtue sur sa face inférieure de DMOAP (diméthyl-octadecyl-3-(trimethoxysilil) propylammonium-chloride), de façon à obtenir un ancrage homéotrope. La plaque 100 et la plaque supérieure non représentée renferment entre elles un cristal liquide

nématique 150 qui est par exemple un 5CB du commerce (4'-

n-pentyl-4-cyanobiphényl) fourni par Merck. Bien sûr, une plaque d'ancrage bistable conforme à l'invention pourra entrer dans la composition de tout autre dispositif utilisant ces propriétés d'ancrage bistable des nématiques. On obtient donc une compétition d'ancrages entre deux films anisotropes superposés 120 et 130 ayant chacun un effet d'alignement, et revêtant le même substrat

isotrope 110.

Comme représenté sur la figure 1, la couche 130 de

polymère a une épaisseur moyenne 1. Nous démontrerons ci-

après l'existence d'une gamme d'épaisseurs 1 critiques dans laquelle est présent un ancrage bistable à deux

directions dégénérées.

En référence à la figure 2, un axe X coïncide avec la direction d'orientation planaire référencée P, induite par la couche 120 de SiO, c'est-à-dire orientation principale de la plaque de SiO 120. L'axe Y coïncide avec l'orientation planaire induite par le procédé de photopolymérisation linéaire, référencée L, et l'axe Z est dirigé vers le volume du matériau nématique 150

perpendiculairement au plan de la plaque de verre 100.

Comme décrit dans la suite, sous certaines conditions, la compétition d'ancrages entre les deux couches 120 et 130 donne naissance à une direction d'orientation azimutale résultante n des molécules nématiques de surface, qui correspond à un minimum

d'énergie potentielle du système nématique 150/plaque 100.

On peut alors définir, comme représenté sur la figure 2, un angle azimutal p entre le directeur nématique n et l'axe x parallèle à la direction d'orientation planaire

induite par la couche de SiO.

Selon le modèle de Berreman, pour une telle couche de SiO 120 seule, il existe une différence d'énergie azimutable entre la direction facile P et la direction perpendiculaire à P, qui est due à la morphologie anisotrope de la surface, dont la valeur est donnée par la formule WsiO = kA2q3 o q définit un vecteur d'onde principal de la courbe sinusoïdale engendrée par la surface 123, définie précédemment. On a ainsi q = 2x/k, o k est la longueur d'onde de la courbe sinusoïdale 122, c'est-à-dire par exemple la distance mesurée dans le plan de la figure 1 entre deux sommets de la courbe 122. A est l'amplitude principale de la courbe 122 représentée sur la figure 1, et k est la constante élastique du volume de

cristal nématique 150.

L'effet orientant de la couche de polymère 130 après une exposition aux UV suffisamment longue, dû principalement aux interactions de type Van der Waals anisotropes est caractérisé par une force d'ancrage

azimutale Wpol = R o R est une constante.

Quand le polymère 130 est déposé sur la couche 120 de SiO, l'amplitude Aeff devient de plus en plus petite, alors que l'épaisseur moyenne 1 du film de polymère 130

augmente, comme représenté sur la figure 1.

Pour évaluer la différence d'énergie azimutale entre la direction P et la direction qui lui est perpendiculaire, due à la morphologie de la surface anisotrope 120, il faut tenir compte de l'atténuation d'amplitude engendrée par la géométrie de la couche de

photopolymère 130. On a donc en pratique: w$iO = kAeff2q3.

Aeff variant en fonction de 1, wsio peut être

modulé en faisant varier 1.

Une épaisseur critique l1 est obtenue quand wsio est du même ordre de grandeur que Wpol, c'est-à-dire lorsque k[A,(Ic)]q3 = R. D'autre part, comme il en est fait part dans [6] et [7], la force d'ancrage exercée par le film de photopolymère 130 sur le cristal liquide nématique 150 dépend de la durée d'exposition aux UV, qui est ainsi utilisée comme paramètre de contrôle pour moduler

l'orientation azimutale des cristaux liquides nématiques.

On fait l'hypothèse dans le raisonnement qui suit, que: 1) le directeur n du cristal liquide nématique est partout parallèle au plan (x, y), et 2) l'ensemble du cristal liquide suit l'orientation de surface, c'est-à-dire qu'il est possible de négliger l'énergie élastique liée aux déformations du cristal

liquide nématique.

La densité totale d'énergie azimutale de surface pour le système considéré peut être exprimée, selon l'approximation de Rapini Papoular, par f = fsio + fpol o fsio = 1/2.wsio sin2 q), et fpol = - 1/2.Wpol sin2 q + 1/4.b sin4 A, fsio étant la densité d'énergie de surface correspondant à l'interaction entre le cristal liquide nématique 150 et le film 120 de SiO et fpol représentant la densité d'énergie de surface correspondant à l'interaction

entre le film photopolymère 130 et le nématique 150.

Dans ces équations, wsio > 0 signifie que l'orientation induite par la couche 120 de SiO est parallèle à l'axe des X (direction P), tandis que Wpol > 0 signifie que la couche de polymère 130 tend à orienter le

directeur selon l'axe des Y (direction L).

Le terme 1/4.b.sin4q) introduit par A.L. Alexe-

Ionescu et al. ([13]) est typique dans le cas de surfaces désordonnées. Il est lié à l'effet de la distribution

aléatoire des molécules dans le film d'orientation 130.

L'énergie libre totale par unité de surface du système considéré est donnée alors par: a b.4 f = fsio + fr, = - sine+ Äsin s), o a = wpol-wsio Les quatre solutions correspondant à un minimum de la densité totale d'énergie azimutale f sont obtenues en résolvant l'équation: df = 0, soit-sin(2)+ sin2 sin(2) 0

dq --

Ces solutions sont: il.2 a T = O, = -- ctsin a pour a < 0 (wpol<wsio), la solution stable est donnée par q = 0 et l'orientation du nématique est imposée par la

couche de SiO.

Pour a > b, la solution stable est donnée par q = n/2 et l'orientation nématique est imposée par la

couche de photopolymère.

Pour O<a<b, le modèle donne une solution q() dégénérée à deux directions. Les orientations azimutales +y, et -Wp qui minimisent l'énergie libre de surface sont comprises entre les directions P et L d'attraction

planaires de surface.

On note que l'alignement P devient instable quand la condition a=0, correspondant à Wpo1 = Wijo, est satisfaite. Selon Schadt et al. ([6]) et J. Chen et al. ([7]), on analyse l'effet de la durée t d'exposition à la lumière UV sur la direction du directeur azimutal n en utilisant l'expression phénoménologique la plus simple pour wpol: Wpol = R(1-e(t/t)) o R est la force d'ancrage du film polymère 130 après une durée d'exposition suffisamment longue, et o X est la durée caractéristique de la

dynamique d'orientation des liaisons chimiques.

Quand R est supérieur ou égal à wsio, la condition Wpo1 = wsio, en utilisant l'équation Wpo1 = R(1-e-(t/r)), définit une durée critique tó caractéristique de l'effet

d'orientation, donnée par R(1-e-(tc/r)) = wsio.

Pour t < tó, le terme d'énergie associée au substrat 120 de SiO domine, on a a < 0, et l'alignement nématique se trouve selon la direction P, tandis que pour t > tc (0 < a < b), la direction azimutale de l'axe

nématique facile est différente de P () non nul).

Dans le même cas o R > Wsio, la relation R(1-e-(t/t)) - Wsio > b (ou a > b), est réalisable pour t est supérieur à une seconde durée critique tc* ainsi définie. Pour t > tc*, le terme d'énergie associé au photopolymère 130 domine et l'alignement nématique se trouve selon la direction L. A partir des équations précédentes, on obtient pour tc < t < tó*, un angle d'ancrage azimutal effectif y R(l-e-"')- Wsv

défini par: sin2 t)= R( - -

bSelon A.L. Alexe-onescu et al. ([13]), on peut Selon A.L. Alexe-Ionescu et al. ([13]), on peut supposer que b est du même ordre de grandeur que wpol, c'est-à-dire b = C(1-e-(t/t)) o C est une constante, et ainsi on peut écrire: -(t /h)

sin2) = R(1-e-(/ ')- R( -e (avec Wsio = R(1-e-tc/)).

Ces derniers résultats indiquent que toutes les orientations T azimutales de surface sont possibles, dans la gamme (0, n/2), en utilisant la durée d'exposition t comme paramètre de contrôle, pour peu que la condition

donnée par kA2 q3 - R soit remplie.

On comprend donc qu'un contrôle fin des deux forces d'ancrages venant de deux attracteurs d'ancrage de surface indépendants, perpendiculaires l'un à l'autre, induit des transitions de surface contrôlées, qui

permettent la bistabilité.

On peut noter que le modèle exposé ici vaut seulement pour des durées d'exposition t qui ne sont pas trop longues, pour lesquelles l'anisotropie azimutale est

donc une fonction croissante de la durée d'exposition.

Comme rapporté par Schadt et al. et par Chen et al. ([6] et [7]), l'anisotropie azimutale de surface induite par le procédé de photopolymérisation linéaire (PPL) est une fonction non monotone de la durée d'exposition. Dans le cas de l'exemple de réalisation donné en référence à la figure 1, l'épaisseur du film 130 de photopolymère a été contrôlée en faisant varier la concentration de PVMC dans un solvant adapté tel qu'un NMP: N-méthyl Pirrolidone et l'épaisseur obtenue de manière effective a été vérifiée par une technique

d'ellipsométrie ([12]).

Les inventeurs ont constaté qu'avec une concentration de PVMC de 0,2%, l'alignement nématique correspond toujours à la direction P. quel que soit le temps d'exposition aux UV: l'ancrage nématique est imposé

par la couche de SiO.

Les inventeurs ont trouvé une première épaisseur critique lc de la couche130 d'environ 30 À, correspondant

à une concentration de PVMC de 0,25%.

Lorsque la couche de photo-polymère est proche de 1, ou légèrement supérieure, il est possible de moduler l'orientation T azimutale de surface en changeant la durée

t d'exposition aux UV.

De plus, dans la géométrie utilisée (P perpendiculaire à L), deux directions azimutales +q et -q), symétriques par rapport à l'axe y, équivalentes en matière

d'énergie, sont obtenues.

La figure 3 montre la dépendance mesurée entre l'angle azimutal y et la durée d'exposition t aux UV. Des plages de valeurs expérimentales 20 sont représentées sous forme de segments verticaux, et une courbe 10 réalisée en traits pointillés a été tracée en utilisant l'expression: 1'2 R l -'/ sinZq(t) = - l () Les valeurs de p observées démarrent à partir de l'alignement selon P (axe des x) mais, dans les conditions expérimentales adoptées, semblent stagner à q) = q)s = 0,175 rad = 10 . La correspondance entre la courbe théorique 10

et les données expérimentales 20 est assez bonne.

En particulier, la durée critique estimée tó de

l'ordre de 18,6 minutes, est proche de la valeur mesurée.

La valeur assez élevée de tó indique que l'orientation du photopolymère sous photopolymérisation linéaire est un phénomène lent, au moins dans le cas d'une épaisseur de

couche très faible sur un susbstrat anisotrope naissant.

On peut donc décrire quantitativement les résultas expérimentaux par le modèle précédemment décrit, qui fait intervenir un terme élastique venant de la topographie de la couche de SiO et un terme anisotrope, du type Van der Waals, ayant trait à l'interaction photopolymère/nématique. Au final, les inventeurs ont trouvé qu'avec une concentration de PVMC de 0,3%, qui définit une seconde longueur 1s critique d'environ 100 A, l'alignement nématique correspond toujours à la direction L après exposition aux UV. Sans traitement aux UV, on obtient à partir de cette épaisseur une orientation primaire

dégénérée du cristal liquide non critique.

1s et l1 dépendent du matériau polymérique et de

la rugosité de la couche de SiO anisotrope.

Ainsi, pour que les deux couches 120 et 130 aient toutes deux des effets d'alignement perceptibles sur les molécules nématiques de surface, l'épaisseur moyenne doit se situer dans le cas décrit ici entre 30 A et 100 A. En pratique, dans ce type d'assemblage de couches, une gamme d'épaisseurs de la couche de photopolymère donnant lieu à un tel résultat pourra avoir une limite inférieure lc de quelques dizaines d'Angstrôms et une

limite supérieure ls de quelques centaines d'Angstrôms.

Les figures 4 et 5 sont deux photographies de

plaque bistable.

L'invention ne se limite pas au cas particulier des plaques à ancrages bistables ou quasi-bistables, mais

s'étend au cas des plaques à ancrage contrôlé monostables.

Ainsi, les inventeurs ont également réalisé des expérimentations dans le cas o l'angle entre P et L n'est

pas perpendiculaire.

Les inventeurs ont choisi par exemple un angle d'environ 45 entre P et L. Ils ont trouvé dans ce cas également un changement dans l'angle q) qui évolue à partir de la direction P vers la direction L quand le temps

d'exposition aux UV augmente, avec une épaisseur de photo-

polymères comprise entre l1 et ls.

Dans ce cas, cependant, un seul directeur de surface existe, qui est ainsi intermédiaire entre P et L. Plus précisément, les deux directions P et L découpant le plan de la plaque en quatre quadrants, la direction d'ancrage résultante part de la directoin P et pivote vers la direction L lorsque la durée d'exposition aux UV augmente, en parcourant les deux quadrants opposés d'ouverture angulaire la plus faible. En d'autres termes, on peut obtenir toute direction angulaire comprise dans l'un des deux angles aigus compris entre les directions P et L. La bistabilité de surface n'apparait plus, indiquant que la symétrie des attracteurs d'ancrage est fondamentale pour obtenir une bistabilité du nématique de surface. D'une manière similaire à celle décrite précédemment, on met à profit la dépendance de la direction d'ancrage résultante en fonction de la durée

d'exposition aux UV.

Cette possibilité de contrôler la direction d'un ancrage de type monostable est particulièrement utile dans tout type de cellule o l'on a besoin d'une plaque à ancrage monostable dont l'orientation est finement contrôlée. Par ailleurs, au moyen d'une technique similaire, on peut aussi obtenir des ancrages quasi-bistables, à condition que le temps d'exposition t aux UV soit très

court ou très long.

L'affirmation selon laquelle on peut obtenir une quasi-bistabilité pour des temps très longs se fonde sur les publications de Chen et al. ([7]), selon lesquelles l'anisotropie du substrat du polymère 130 induite par l'exposition aux UV croît en partant d'une situation

isotrope, atteint une valeur maximale et ensuite décroit.

Une possibilité d'obtenir un ancrage quasi-

bistable est donnée, dans le cas précédemment décrit d'une couche de photo-polymère 130 sur un substrat anisotrope , par un alignement bistable très proche de celui du

substrat inférieur 120.

De cette façon, il est possible d'obtenir des propriétés d'ancrage analogues à celles données par un substrat SiO très proche de la ligne idéale entre l'ancrage monostable planaire et l'ancrage incliné

bistable.

Le procédé selon l'invention pour obtenir des ancrages de cristaux liquides nématiques bistables, ou quasi-bistables est basé sur le concept de compétition d'ancrage entre deux sources d'alignement ayant des types d'interaction différents avec le matériau cristallin liquide. Les ancrages bistables que l'on peut obtenir par ce procédé sont appropriés pour être utilisés dans un

dispositif nématique bistable commandé flexo-

électriquement (document PCT/FR91/00496, document W092/00546, brevet US5,357,358), dans un dispositif nématique bistable commandé par effet électro-chiral (document PCT/FR91/00052, document W091/11747) et dans tout autre dispositif électro-optique bistable basé sur la

bistabilité de surface nématique.

Par ce procédé, des ancrages nématiques quasi-

bistables planaires, comme ceux requis dans le dispositif du document Dispositif d'affichage bistable à base de cristaux liquides nématiques autorisant des teintes de

gris peuvent aussi être obtenus.

Bien que dans les expérimentations, les inventeurs ont utilisé un revêtement de SiO 120 déposé sous vide comme première couche d'alignement compétitive, la mise en oeuvre de l'invention ne requiert pas nécessairement un tel traitement. Tout autre substrat anisotrope sur lequel il est possible de déposer un second film anisotrope fin peut être utilisé. Des substrats mécaniquement frottés pourraient être de bons candidats à condition qu'une rugosité

appropriée soit atteinte.

D'autre part, la seconde couche d'alignement compétitive est constituée par un film de revêtement organique 130 photo-polymérisé par UV (PVMC ou similaire), qui peut être pulvérisé ou appliqué par dépôt sur

tournette sur le substrat de verre.

Ce film peut être substitué par tout autre film anisotrope suffisamment fin pour permettre la compétition d'ancrage. Bien que l'invention a été décrite ici dans le cas d'ancrages planaires, il est bien sûr possible grâce à un procédé conforme à l'invention de réaliser une plaque à

ancrages obliques.

On poura par exemple pour cela réaliser une exposition du film de photopolymère sous une lumière UV dont le faisceau incident est oblique par rapport à la

normale au plan de la plaque.

La possibilité d'un premier substrat, n'influençant pas le nématique, sur lequel deux films superposés ou plus, anisotropes, avec différents attracteurs d'ancrage et avec une épaisseur appropriée pour permettre la compétition d'ancrage, a également été

envisagée.

On pourra plus généralement envisager un nombre quelconque de couches isotropes, disposées sous les deux

couches anisotropes superposées en question.

[1] L. Janning, Appl. Phys. Lett., 21, 173 (1972).

[2] I. Haller, Appl. Phys. Lett., 24, 349 (1974).

* [3] J.M. Geary, J.W. Goodby, A.R. Kmetz, J.S. Patel,

J. Appl. Phys., 62, 4100 (1987).

[4] D.H. Berreman, Phys. Rev. Lett., 28, 1638 (1972).

[5] R. Barberi, M. Giocondo, G.V. Sayko, A.K. Zvezdin, "Planar nematic anchoring on rough anisotropic substrates:

an elastic model", Phys. Lett. A213, 293 (1996).

[6] M. Schadt et al., Jpn. J. Appl. Phys. 31, 2155 (1992).

[7] J. Chen et al., Phys. Rev. E54, 1599 (1996).

[8] R. Barberi, G. Durand, "Handbook of Liquid Crystal Research", P.J. Collings and J.S. Patel Eds., Oxford

University Press, New York, Oxford (1997).

[9] M. Monkade, M. Boix et G. Durant, Europhys. Lett., 5,

697 (1988).

[10] A. L. Alexe-Ionescu, R. Barberi, J.J. Bonvent, M. Giocondo - "Nematic surface transitions induced by

anchoring competition", Phys. Rev. E54, 529 (1996).

[11] R. Barberi, M. Giocondo, G. Sayko, A.K. Zvezdin, J.

Phys.: Condens. Matter, 6 (1994) A275-A278.

[12] F. Heslot, A.M. Cazabat, P. Levinson et N. Fraysse,

Phys. Rev. Lett., 65, (1990), 559.

[13] A.L. Alexe-Ionescu et al., Phys. Rev. E, 49, 5354

(1994).

[14] S.P.Palto, S.G.Yudin, C.Germain et G.Durand, J.Phys.II France vol. 5 (1995) p.133

Claims (21)

REVENDICATIONS

1. Cellule à cristaux liquides comprenant au moins une plaque (100) à ancrage contrôlé, caractérisée en ce que la plaque comprend au moins deux couches (120, 130) superposées ayant chacune un effet d'alignement sur les molécules nématiques (150) se trouvant au voisinage d'une même surface (133) de la plaque (100), ces deux couches (120, 130) n'ayant pas la même direction d'alignement (P, L).

2. Cellule selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdites directions d'alignement (P, L) sont

perpendiculaires l'une à l'autre.

3. Cellule selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la première couche (120) a un effet d'alignement de nature élastique et en ce que la seconde couche (130) a un effet d'alignement de type forces de Van

der Waals.

4. Cellule selon la revendication 3, caractérisée en ce que la deuxième couche (130) est disposée plus proche du cristal nématique (150) que la première couche

(120).

5. Cellule selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que la première couche (120) est une

couche de SiO anisotrope.

6. Cellule selon la revendication 5, caractérisée en ce que la couche de SiO (120) présente des variations d'altitude (A) en surface de l'ordre de quelques dizaines d'Angstrôms.

7. Cellule selon la revendication 5, caractérisée en ce que la couche de SiO (120) est déposée sur un

substrat isotrope (110).

8. Cellule selon la revendication 7, caractérisée en ce que le substrat isotrope (110) est un verre ITO

conductif.

9. Cellule selon l'une quelconque des

revendications précédentes, caractérisée en ce que la

seconde couche (130) est une couche de photopolymère.

10. Cellule selon l'une quelconque des

revendications 1 à 9, caractérisée en ce que les couches

superposées définissent un ancrage bistable ou quasi-

bistable.

11. Cellule selon l'une quelconque des

revendications 1 à 9, caractérisée en ce que les couches

superposées définissent un ancrage monostable.

12. Cellule selon l'une quelconque des

revendications i à 11, caractérisée en ce que les couches

superposées définissent un ancrage planaire.

13. Cellule selon l'une quelconque des

revendications 1 à 11, caractérisée en ce que les couches

superposées définissent un ancrage oblique.

14. Procédé de réalisation d'une plaque (100) à ancrage contrôlé sur sa face supérieure (133), caractérisé en ce qu'on réalise les étapes suivantes: a) réalisation d'une première couche (120) apte à produire un premier effet d'alignement sur sa face supérieure (123) selon une première direction (P); b) dépôt sur cette première couche (120) d'une seconde couche (130) apte à produire, éventuellement après un traitement supplémentaire, un second effet d'alignement sur sa face supérieure (133) selon une seconde direction (L) différente de la première direction (P), la seconde couche (130) étant apte à transmettre sur sa surface supérieure (133) une partie du premier effet d'alignement

induit par la première couche (120).

15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'étape a) consiste à déposer sur un substrat isotrope (110) une couche de SiO (120) par dépôt sous vide à un angle non nul par rapport à la normale à la surface

du substrat isotrope (110).

16. Procédé selon la revendication 14 ou 15, caractérisé en ce que l'étape b) consiste à déposer une

couche de photopolymère (130).

17. Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce que le photopolymère (130) est déposé selon une épaisseur moyenne comprise entre quelques dizaines et

quelques centaines d'Angstrôms.

18. Procédé selon la revendication 16 ou 17, caractérisé en ce que ledit traitement supplémentaire

consiste en une photopolymérisation sous lumière ultra-

violet polarisée.

19. Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce que la lumière UV est polarisée de manière à induire une attraction d'ancrage selon une direction (L) perpendiculaire à la direction d'alignement

(P) induite par ladite première couche (120).

20. Procédé selon la revendication 19, caractérisé en ce que l'exposition aux UV est suffisamment brève pour que la face supérieure de la plaque (100) présente des directions d'ancrage résultantes (n) orientées par rapport à la direction de l'effet d'alignement (P) induit par la première couche (120) selon

un angle inférieur à 10 .

21. Procédé selon l'une quelconque des

revendications 16 à 20, caractérisé en ce que l'on choisit

une épaisseur de la couche de photopolymère (130) comprise entre une épaisseur minimale (le) au-dessous de laquelle la couche de photopolymère (130) est sans effet sur l'orientation nématique, quelle que soit la durée d'exposition aux Uv, et inférieure à une épaisseur maximale (1s) au delà de laquelle l'effet d'alignement de ladite première couche (120) est toujours imperceptible,

quelle que soit la durée d'exposition aux UV polarisés.