FR2956489A1 - Procede de fabrication d'une cellule electro-optique a cristaux liquides et cellule electro-optique correspondante - Google Patents

Procede de fabrication d'une cellule electro-optique a cristaux liquides et cellule electro-optique correspondante Download PDF

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Abstract

Il est proposé un procédé de fabrication d'une cellule électro-optique comprenant des première et seconde lames de matériau optiquement transparent et au moins une épaisseur d'un matériau à base de molécules de cristal liquide compris entre lesdites première et seconde lames, des première (302) et seconde (303) couches d'alignement étant déposées sur les première et seconde lames respectivement, le procédé comprenant une étape de traitement desdites première (302) et seconde couches (303) d'alignement selon des première (304) et seconde (305) directions d'alignement respectivement telle que les première (304) et seconde (305) directions d'alignement forment entre elles un angle de torsion α tel que : 5° < α < θ, avec θ un angle de tilt associé aux molécules de cristal liquide. Les première (302) et seconde (303) couches d'alignement présentent chacune une énergie d'ancrage supérieure ou égale à un seuil prédéterminé tel que, les molécules de cristal liquide situées au niveau de l'interface entre le matériau et la première (302), respectivement seconde (301), couche d'alignement restent en permanence parallèles à la direction d'alignement associée à ladite première (302), respectivement seconde (303), couche d'alignement.

Description

Procédé de fabrication d'une cellule électro-optique à cristaux liquides et cellule électro-optique correspondante. 1. DOMAINE DE L'INVENTION Le domaine de l'invention est celui de la conception et la fabrication de composants optiques mettant en oeuvre des matériaux à base de cristaux liquides, tels que les cristaux liquides smectiques ou les composites polymères à cristal liquide smectique. Plus précisément, l'invention concerne une technique de fabrication d'une cellule électro-optique à base de cristaux liquides.
L'invention a de nombreuses applications, telles que par exemple la réalisation de dispositifs d'affichage, d'obturateurs optiques pour dispositifs lasers ou encore de dispositifs anti-éblouissement dans le cadre des soudures à l'arc. 2. ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE Les matériaux à base de cristaux liquides sont des matériaux dont on peut modifier les propriétés optiques et notamment la biréfringence en leur appliquant un champ électrique. Traditionnellement, la plupart des cellules à cristaux liquides sont constituées de deux lames optiquement transparentes qui sont assemblées pour former entre elles une cavité dans laquelle est introduit un mélange à base de molécules de cristal liquide. Sous l'action d'un champ électrique, les molécules contenues dans ce mélange s'orientent selon une direction privilégiée. Dans le domaine de l'affichage et de l'obturation, l'une des principales préoccupations des fabricants est de concevoir et de fabriquer des composants optiques à base de cristaux liquides exempts de tout défaut.
Des études ont montré que les cristaux liquides en phase smectique ferroélectrique (noté par la suite FLC pour « Ferro-electric Liquid Crystal ») ou en phase smectique antiferroélectrique (noté par la suite AFLC pour « Anti-Ferro-electric Liquid Crystal ») présentent des temps de réponse (ou temps de commutation) plus rapides que les cristaux liquides en phase nématique, mais présentent néanmoins des défauts de structure spécifiques, altérant leur qualité pour des applications d'affichage. Ces cellules sont par ailleurs plus fragiles.
Une façon de prévenir la formation de défauts et de rendre ces cellules plus robustes consiste à introduire dans la cellule un composite polymère smectique, tel qu'un PSLC (pour « Polymer Stabilized Liquid Crystal » ou « cristal liquide ferroélectrique stabilisé par un polymère ») ou PSAFLC (pour « Polymer Stabilized Anti-ferroelectric Liquid Crystal » ou « cristal liquide antiferroélectrique stabilisé par un polymère »). Par définition, les « composites polymères smectiques » désignent tout type de composite comprenant une phase smectique C* ferroélectrique (FLC) ou antiferroélectrique (AFLC) combinée à une chaîne polymère utilisée pour stabiliser ladite phase smectique. Ce composite est couramment appelé gel polymère à cristal liquide.
Toutefois, on remarque dans de telles cellules à cristaux liquides l'apparition de défauts spécifiques, en particulier des structures diffractantes et/ou diffusantes (dues par exemple à la présence de chaînes polymériques ou de défauts de type « zig-zag ») qui sont à l'origine de phénomènes de diffraction et/ou de diffusion parasite particulièrement gênantes, voir rédhibitoires, pour nombre d'applications, notamment dans lesquelles sont mises en oeuvre de fortes illuminations de la cellule, par exemple dans le cas de la réalisation d'un obturateur pour une source laser puissante ou encore d'un dispositif de visualisation où le niveau de contraste électro-optique peut être fortement réduit. Les figures la à ld illustrent l'apparition d'un défaut de structure de type zig- zag dans une cellule à cristaux liquides 100 en phase smectique. La cellule 100 est constituée d'une épaisseur de matériau PSFLC 150 par exemple comprenant une pluralité de couches smectiques 101 comprises entre deux lames 102 et 103 optiquement transparentes (substrat en verre par exemple) entre lesquelles peut être appliqué un champ électrique E afin d'orienter les molécules de cristal liquide.
Tel qu'illustré sur les figures la et lb, l'apparition d'un angle (p entre le vecteur directeur (hi) indiquant la direction d'orientation de l'ensemble des molécules de cristal liquide et la normale ( A ) aux couches smectiques 101 de la cellule à cristaux liquide 100 entraîne une compression des couches smectiques 101 (figure lb). Cette compression des couches smectiques 101 est liée par exemple à une baisse de la température de la cellule à cristaux liquides lors de sa fabrication.
En géométrie confinée (c'est-à-dire dans le cas d'une faible épaisseur de matériau à cristal liquide), une compression de couche smectique 101 s'exprime par une double inclinaison de cette couche smectique qui forme ainsi une structure en chevron 110 (figures le et ld). C'est la présence de chevrons 110 d'inclinaison opposée dans les couches smectiques qui est à l'origine des défauts de structure de type zig-zag. Lors de l'application d'un champ électrique E (figure le), pour commuter les molécules de cristal liquide PSFLC 150, la structure en chevron 110 (figure ld) se modifie par un redressement irréversible des couches smectiques 101 dans une première direction selon l'épaisseur de la cellule 100 (selon l'axe z), ce redressement étant accompagné d'une inclinaison desdites couches smectiques dans une deuxième direction (selon l'axe x) comme illustré sur la figure le. Cette inclinaison est équivalente à une ondulation des couches dans le plan (x,y) des lames 102 ou 103. Ce changement de structure irréversible et les propriétés de biréfringence du matériau à cristal liquide constitutif de la cellule 100 induisent la formation permanente d'un réseau de diffraction et/ou de diffusion parasite (en particulier pour un composite de type PSLC) qui peut être gênant pour bon nombre d'applications, comme, par exemple, les dispositifs d'affichage à base de cellules à cristaux liquides. Une méthode connue dans l'état de la technique pour prévenir la formation de tels défauts est présentée par C. Wang, P.J. Bos dans un article scientifique intitulé « Bistable Cl ferroelectric liquid crystal device for e-paper application », Displays, Volume 25, Issue 5, December 2004, pp. 187-194. Cette méthode consiste à générer au sein d'une cellule à cristaux liquides, une structure uniforme comportant un alignement parallèle de l'ensemble des molécules de cristal liquide contenues dans la cellule à la surface des lames (l'alignement (ou l'orientation) des molécules est dit planaire).
Un tel alignement de molécules peut être obtenu à l'aide d'un traitement de surface d'une couche mince (notée par la suite couche d'alignement) déposée sur chacune des lames de la cellule. Le traitement de surface consiste plus précisément à traiter les couches d'alignement selon une direction d'alignement parallèle au plan des lames, de sorte à induire un ancrage suffisant entre les molécules du cristal liquide et les couches d'alignement pour orienter les molécules de cristal liquide suivant cette direction d'alignement parallèle (après avoir introduit le mélange à cristal liquide dans la cellule). On connaît, dans l'état de la technique, différentes techniques de traitement de surface permettant d'obtenir un alignement parallèle des molécules de cristal liquide aux plans des lames de la cellule. Une première technique connue, dite technique de peignage ou de brossage, consiste à déposer sur chaque lame une couche d'un matériau polymère qui est peigné suivant une direction d'alignement parallèle au plan des lames, provoquant des micro-rayures en surface selon cette direction d'alignement. Les interactions entre les molécules de cristal liquide et les micro-rayures générées en surface de chacune des couches permettent d'assurer un alignement des molécules de cristal liquide parallèle au plan des couches peignées. Une deuxième technique connue, dite technique d'évaporation oblique, repose sur un bombardement d'électrons en surface d'une couche (d'alignement) d'oxyde de silicium déposé par évaporation et formant un angle d'inclinaison avec le substrat, induisant un angle de «pretilt », et une direction d'orientation des molécules de cristal liquide dans le plan perpendiculaire à la cellule. Une troisième technique connue, dite technique de photo-alignement, consiste à insoler, par application d'un rayonnement ultraviolet selon une direction de polarisation parallèle au plan des lames, un matériau photo-polymérisable dont l'orientation des chaînes polymériques obtenue après insolation permet d'aligner les molécules de cristal liquide parallèlement aux couches insolées. Néanmoins, ces techniques connues d'alignement des molécules de cristal liquide ne permettent pas de prévenir suffisamment la formation de défauts dans la structure des cellules réalisées, notamment pour certains types de cristaux liquides où la densité de défauts reste encore très élevée. 3. OBJECTIFS DE L'INVENTION L'invention, dans au moins un mode de réalisation, a notamment pour objectif de pallier ces différents inconvénients de l'état de la technique.
Plus précisément, dans au moins un mode de réalisation de l'invention, un objectif est de fournir une technique de fabrication d'une cellule électro-optique à cristaux liquides qui permette de prévenir la formation de défauts parasites dans la structure d'une telle cellule. Au moins un mode de réalisation de l'invention a également pour objectif de fournir une telle technique qui permette de réduire les effets dus à la présence de réseaux de diffraction et/ou de diffusion dans la cellule à cristaux liquides. Un autre objectif d'au moins un mode de réalisation de l'invention est de fournir une telle technique qui soit simple à mettre en oeuvre et peu coûteuse. 4. EXPOSÉ DE L'INVENTION Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, il est proposé un procédé de fabrication d'une cellule électro-optique comprenant des première et seconde lames de matériau optiquement transparent et au moins une épaisseur d'un matériau à base de molécules de cristal liquide compris entre lesdites première et seconde lames, des première et seconde couches d'alignement étant déposées sur les première et seconde lames respectivement, ledit procédé comprenant une étape de traitement desdites première et seconde couches d'alignement, selon des première et seconde directions d'alignement respectivement, lesdites première et seconde directions d'alignement formant entre elles un angle de torsion a tel que : 5 ° < a < 0, avec 0 un angle de tilt associé auxdites molécules de cristal liquide. Le principe général de ce mode de réalisation particulier consiste, dans le cadre d'une fabrication d'une cellule électro-optique à cristaux liquides, à mettre en oeuvre un traitement de surface particulier sur des première et seconde couches d'alignement selon des première et seconde directions d'alignement formant entre elles un angle de torsion a compris dans un intervalle spécifique de valeurs. Cet angle de torsion a permet, une fois le matériau à base de molécules de cristal liquide introduit dans la cellule, de produire une déformation de sa structure en imposant une réorientation des molécules de cristal liquide. La présence d'une telle déformation permet de prévenir la formation de défauts structurels de la cellule électro-optique (tels que par exemple des défauts en chevron ou de type zig-zag) au cours de sa fabrication, ces défauts étant à l'origine de phénomènes de diffraction et/ou de diffusion parasites particulièrement gênants, voire bloquants, pour un nombre important d'applications, notamment celles pour lesquelles la cellule est soumise à de fortes intensités lumineuses. La densité de défauts présents dans une cellule électro-optique ainsi obtenue étant fortement réduite, l'application d'un champ électrique pour commuter la cellule ne génère donc plus de réseau de diffraction et/ou de diffusion parasite.
Les performances, notamment en termes de comportement électro-optique des cellules à base de cristaux liquides, sont donc fortement améliorées (contraste électrooptique et temps de commutation par exemple). Il convient de noter que la création d'une torsion (ou « twist » en anglais) en sein d'une cellule à cristaux liquides a déjà été proposée dans l'état de la technique, notamment par M. ISMAILI et al. dans l'article intitulé « Comportement électro-optique d'une cellule de cristal liquide smectique SmC* en configuration torsadée », 17'' colloque international - Optique Herztienne et Dielectriques - 3, 4, 5 septembre 2003. Mais cette déformation en torsion est obtenue avec des angles de torsion bien plus élevés (proches de 90 degrés) à ceux compris dans ledit intervalle spécifique de valeurs, en vue d'obtenir une gamme de niveaux de gris plus importantes. Les valeurs d'angle de torsion appliquées à une cellule à cristaux liquides sont très éloignées de celles comprises dans ledit intervalle spécifique selon le mode de réalisation de l'invention. En outre, l'objectif de ce document de l'état de la technique est complètement différent de celui de la présente invention, puisqu'il ne vise pas à réduire la présence de défauts intrinsèques à la cellule lors de son élaboration. En effet, les inventeurs ont montré expérimentalement que lorsque l'angle de torsion est supérieur à l'angle de tilt 0 associé au matériau à cristal liquide constitutif de la cellule (comme c'est le cas pour les angles de torsion proposés par le document précité), l'effet recherché, c'est-à-dire la non formation de défauts dans la cellule, disparaît.
Par ailleurs, l'étape de traitement des couches d'alignement peut être basée sur une technique de traitement de surface appartenant au groupe comprenant : - une technique de photo-alignement d'un matériau photo-polymérisable ; - une technique de peignage ; - une technique de bombardement d'électrons.
De façon avantageuse, lors de ladite étape de traitement des première et seconde couches d'alignement, lesdites première et seconde couches d'alignement présentent chacune une énergie d'ancrage supérieure ou égale à un seuil prédéterminé tel que, en considérant que le matériau à base de molécules de cristal liquide est compris dans la cellule électro-optique et qu'un champ électrique d'une valeur prédéterminée est appliqué à la cellule électro-optique, les molécules de cristal liquide situées à une interface commune entre le matériau et la première, respectivement seconde, couche d'alignement restent sensiblement parallèles à la direction d'alignement associée à ladite première, respectivement seconde, couche d'alignement. On entend ici par interface commune la surface séparant deux milieux dont les propriétés physico-chimiques sont différentes, c'est-à-dire la surface séparant le matériau à base de molécules de cristal liquide des première et seconde couches d'alignement. Ainsi, pour qu'une réorientation de l'ensemble des molécules de cristal liquide sous forme d'une torsion s'opère convenablement et de manière permanente au sein du matériau à base de molécules de cristal liquide, il est nécessaire que le traitement de surface soit effectué de telle façon que chaque couche d'alignement présente une énergie d'ancrage suffisamment forte. En effet, un ancrage fort permet d'assurer que l'impact de la torsion créée dans la structure du matériau à cristal liquide persiste pendant le fonctionnement de la cellule électro-optique (application d'un champ électrique à la cellule), l'ensemble des molécules de cristal liquide ne revenant pas dans l'ordre d'orientation préférentielle.
On considère notamment que la condition d'ancrage fort est atteinte au cours de la fabrication de la cellule électro-optique lorsque, sous un champ électrique d'amplitude inférieure à 20 les molécules de cristal liquide situées au niveau de l'interface séparant la première, respectivement seconde, couche d'alignement et le matériau à cristal liquide restent alignées selon la direction d'alignement de ladite première, respectivement seconde, couche d'alignement. En d'autres termes, la condition d'ancrage fort est réunie au cours de la fabrication de la cellule électro-optique, lorsque le traitement de surface des première et seconde couches d'alignement permettent d'imposer aux molécules de cristal liquide situées à égale distance de chacune des première et seconde couches une orientation du directeur suivant une direction médiane (et plus précisément une direction médiane azimutale dans le plan des couches d'alignement) entre les directions d'alignement (directions azimutales dans le plan des couches d'alignement). Cette énergie d'ancrage permet de générer, pour chaque molécule de cristal liquide, une énergie d'interaction entre chacune des molécules de cristal liquide et chacune des première et seconde couches d'alignement supérieure à toutes les autres énergies mises en jeu, comme notamment l'énergie élastique associée au matériau à base de molécules de cristal liquide et l'énergie ferroélectrique associée au champ électrique appliqué au matériau. La création d'une torsion au sein de la structure du matériau à base de cristal liquide combinée à des conditions d'ancrage fort permet ainsi de diminuer la probabilité de formation de défauts dans la cellule au cours de sa fabrication.
Avantageusement, le matériau constitué de molécules de cristal liquide appartient au groupe comprenant : - un matériau à cristal liquide ferroélectrique (FLC) ; - un matériau à cristal liquide anti-ferroélectrique (AFLC) ; - un matériau à cristal liquide ferroélectrique stabilisé par un polymère (PSFLC) ; - un matériau à cristal liquide anti-ferroélectrique stabilisé par un polymère (PSAFLC). Il est à noter que cette liste n'est pas exhaustive. Préférentiellement, chacune des première et seconde couches d'alignement étant constituée d'un matériau photo-polymérisable, l'étape de traitement des première et seconde couches d'alignement comprend les sous-étapes suivantes : - insolation de la première couche d'alignement par application d'un rayonnement ultraviolet selon une première direction de polarisation formant ladite première direction d'alignement ; - insolation de la seconde couche d'alignement par application d'un rayonnement ultraviolet selon une seconde direction de polarisation formant ladite seconde direction d'alignement, lesdites première et seconde directions de polarisation formant entre elles ledit angle de torsion. Ainsi, cette technique de traitement permet de constituer, par photo-polymérisation d'un matériau déposé sur chacune des première et seconde couches d'alignement, des moyens d'alignement (première et deuxième directions d'alignement) des molécules de cristal liquide.
En outre, cette technique ne nécessitant pas de contact mécanique au cours du dépôt du matériau photo-polymérisable, elle ne génère pas de projection d'éléments parasites pouvant produire des défauts à la surface du matériau traité. Par ailleurs, il s'agit d'une technique non polluante.
Préférentiellement, dans l'étape de traitement des première et seconde couches d'alignement, l'énergie d'insolation est supérieure à 500.10.3 J.m 2. De manière préférentielle, lesdites première et seconde couches d'alignement sont insolées pendant au moins une heure au cours des sous-étapes d'insolation. Ces conditions d'insolation (énergie d'insolation et temps d'insolation) permettent d'assurer la formation d'une torsion stabilisée des molécules à cristal liquide dans la structure du matériau à cristal liquide, selon les conditions d'alignement imposées aux couches d'alignement (angle de torsion a entre les première et seconde directions d'alignement). De telles conditions d'insolation permettent effectivement d'assurer un alignement des molécules sous ancrage fort, et donc la formation d'une torsion stabilisée minimisant la formation de défauts dans le matériau à cristal liquide au cours de la fabrication et pendant le fonctionnement de la cellule. Selon une caractéristique préférentielle, le procédé comprend les étapes suivantes - dépôt d'une couche de pré-polymère à cristal liquide sur au moins une des première et seconde couches d'alignement ; - insolation de ladite couche de pré-polymère à cristal liquide par application d'un rayonnement ultra-violet sous atmosphère nitrogénée. Le dépôt d'une couche photo-polymérisée de pré-polymère à cristal liquide entre la couche d'alignement et le matériau à base de molécules de cristal liquide permet, grâce à ses propriétés physico-chimiques (affinité de la couche de pré-polymère avec les molécules de cristal liquide), d'assurer l'obtention d'un ancrage fort des molécules de cristal liquide dans la cellule électro-optique, indépendamment des conditions d'ancrage appliquées lors du traitement des couches d'alignement. On assure ainsi la formation et le maintien (même pendant le fonctionnement de la cellule) d'une torsion dans le matériau à base de molécules de cristal liquide, permettant de minimiser l'apparition de défauts dans le matériau à base de molécules de cristal liquide. Selon une première variante de réalisation, chacune des première et seconde couches d'alignement est un polymère de type polyimide, l'étape de traitement des première et seconde couches d'alignement étant effectuée selon une technique de traitement de surface par peignage, avec l'énergie d'ancrage supérieure à 0,33.10-3 J.m 2 Cette technique de traitement de surface est simple d'utilisation et peu coûteuse. Elle permet d'atteindre les conditions d'ancrage minimales requises pour obtenir une torsion des molécules de cristal liquide de manière permanente au sein d'une cellule électro-optique. Selon une deuxième variante de réalisation, chacune des première et seconde couches d'alignement est constituée d'un matériau à base d'oxyde de silicium, déposé par évaporation et formant un angle d'inclinaison avec la lame sur laquelle est déposée ladite couche d'alignement, induisant un angle de pretilt compris entre 20 et 25°, et une direction d'orientation des molécules de cristal liquide. De façon avantageuse, le procédé comprend les étapes suivantes : - injection du matériau à base de molécules de cristal liquide dans la cellule électro-optique ; et - refroidissement progressif du matériau à base de molécules de cristal liquide injecté tel que ledit matériau injecté est refroidi pendant au moins deux heures, sous un champ électrique d'au moins 1 V/µm à fréquence supérieure à 1 kHz appliqué à la cellule électro-optique. Cette étape de procédé permet d'améliorer davantage les conditions d'ancrage fort.
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, il est proposé une cellule électro-optique comprenant des première et seconde lames de matériau optiquement transparent et au moins une épaisseur d'un matériau à base de molécules de cristal liquide compris entre lesdites première et seconde lames, des première et seconde couches d'alignement étant déposées sur les première et seconde lames respectivement, lesdites première et seconde couches d'alignement étant traitée selon des première et seconde directions d'alignement respectivement, lesdites première et seconde directions d'alignement étant telles qu'elles forment entre elles un angle de torsion a tel que : 5 ° < a < 0, avec 0 un angle de tilt propre auxdites molécules de cristal liquide. Préférentiellement, lesdites première et seconde couches d'alignement présentent chacune une énergie d'ancrage supérieure ou égale à un seuil prédéterminé tel que, en considérant que le matériau à base de molécules de cristal liquide est compris dans la cellule électro-optique, et qu'un champ électrique d'une valeur prédéterminée est appliqué à la cellule électro-optique, les molécules de cristal liquide situées à une interface commune entre l'épaisseur de matériau à base de cristal liquide et la première, respectivement seconde, couche d'alignement restent sensiblement parallèles à la direction d'alignement associée à ladite première, respectivement seconde, couche d'alignement. De manière préférentielle, la cellule électro-optique comprend en outre une couche photo-polymérisée de pré-polymère à cristal liquide sur au moins une des première et seconde couches d'alignement. 5. LISTE DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée à titre d'exemple indicatif et non limitatif, et des dessins annexés, dans lesquels : - les figures la à Id illustrent l'apparition d'un défaut de structure de type zig-zag dans une cellule à cristaux liquides 100 en phase smectique, les figures la et lb montrant l'influence d'un angle entre le directeur et la normale aux couches de l'épaisseur d'un matériau PSFLC sur la compression des couches du PSFLC générant une double inclinaison des couches (figure 1 c) qui forme une structure en chevron (figure 1d) qui se déforme sous influence d'un champ électrique (figure le) ; - la figure 2 présente une structure torsadée de molécules de cristal liquide dans une couche smectique FLC selon un mode de réalisation particulier de l'invention ; - la figure 3 présente une structure torsadée de molécules de cristal liquide dans une cellule à cristaux liquides en phase smectique selon un mode de réalisation particulier de l'invention ; 25 30 - la figure 4 présente un organigramme d'un mode de réalisation particulier du procédé de fabrication selon l'invention ; - la figure 5 illustre la structure d'une cellule électro-optique obtenue après la mise en oeuvre du procédé de fabrication selon un mode de réalisation particulier de l'invention. 6. DESCRIPTION DÉTAILLÉE Sur toutes les figures du présent document, les éléments et étapes identiques sont désignés par une même référence numérique. Le principe général d'un mode de réalisation particulier de l'invention repose sur la formation, lors de la fabrication d'une cellule électro-optique, au sein d'une épaisseur de matériau à base de molécules de cristal liquide (appelée par la suite matériau à cristal liquide) comprise entre une lame supérieure et une lame inférieure optiquement transparentes, d'une torsion des molécules de cristal liquide à l'ancrage permettant de prévenir de la formation de défauts dans la structure du matériau à cristal liquide. Plus particulièrement, cette torsion est obtenue grâce à la mise en oeuvre d'un traitement de surface de première et seconde couches d'alignement déposées respectivement sur les lames supérieure et inférieure de la cellule, selon des première et seconde directions d'alignement formant entre elles un angle de torsion a compris dans un domaine spécifique de valeurs, tel que 5° < a < 0, avec 0 désignant l'angle de tilt (ou d'inclinaison) prédéfini associé au matériau à base de cristal liquide introduit dans la cellule, d'induire une déformation en torsion de la structure du matériau à cristal liquide La présente invention prévoit également que le traitement de surface soit effectué de façon à ce que chaque couche d'alignement présente une énergie d'ancrage suffisamment forte pour assurer, de façon permanente, une réorientation de l'ensemble des molécules de cristal liquide sous forme d'une torsion. En effet, il convient de noter que, dans le cas d'épaisseur de matériau à cristal liquide mince (épaisseur comprise entre 1 et 2 µm par exemple), l'énergie d'ancrage entre le matériau à cristal liquide et les couche d'alignement qui le confine contribue de façon non-négligeable à l'énergie nécessaire pour imposer en permanence une réorientation des molécules de cristal liquide. Cette énergie d'ancrage (interaction du cristal liquide avec les couches d'alignement), nécessaire pour former une torsion dans la structure du matériau à cristal liquide selon l'invention, est contrôlée par un traitement appropriée de la surface des couches d'alignement. Selon une caractéristique avantageuse, les conditions d'ancrage fort requises pour obtenir une torsion permanente des molécules de cristal liquide sont assurées par la présence d'une couche d'ancrage (par exemple une couche de pré-polymère à cristal liquide) interfaçant la couche d'alignement et le matériau à cristal liquide. Pour tout complément relatif aux méthodes d'ancrage bien connues de l'Homme du Métier, notamment pour les matériaux FLC, PSFLC, PSAFLC, on peut se référer aux articles scientifiques suivants : R. Barberi et al., « Azimuthal anchoring of nematic on undulated substrate: Elasticity versus memory » - Eur. Phys. J. B 6, 83û91 (1998) et P.G de Gennes and J. Prost, "The Physics of Liquid Crystals "- , Oxford Science Publication 1993. Il convient de noter que la description détaillée ci-après illustre un mode de réalisation particulier appliqué à la fabrication d'une cellule électro-optique à base de matériau FLC. Il est clair néanmoins que la présente invention ne se limite pas uniquement à ce type de matériau, mais peut s'appliquer à tout type de cellule, tel que par exemple une cellule à base de cristaux liquides en phase smectique (C*) (AFLC) ou à base de composites polymères smectiques (C*) (PSFLC, PSAFLC). La figure 2 illustre un schéma d'un modèle théorique de définition d'un angle de tilt 0 au sein d'une cellule à cristaux liquides en phase smectique. Par définition, un cône smectique 200 d'un matériau à cristal liquide en phase smectique (FLC par exemple) ou un composé polymère smectique (PSFLC, PSAFLC) représente théoriquement l'ensemble des positions que le directeur h' d'une molécule de cristal liquide peut prendre lorsque la cellule est soumise à un champ électrique.
En effet, lorsqu'un champ électrique alternatif (+E/-E) est appliqué entre les électrodes d'une cellule 100, un effet électro-optique est observé : le champ électrique appliqué entraîne, par couplage, un retournement de la polarisation spontanée (+Ps/-Ps) et une commutation des molécules de cristal liquide sur le cône smectique 200 entre deux états stables. En effet, une conséquence de la polarisation spontanée est la "bistabilité" des molécules de cristal liquide.
Autrement dit, dans le cas d'une cellule 100 stabilisée par les surfaces, c'est-à-dire une cellule mince d'épaisseur de matériau comprise entre 1 et 2 µm, le cône smectique 200 est confiné, obligeant le directeur h' des molécules de cristal liquide à ne prendre que deux positions sur le cône smectique (notées « On state » et « Off state » sur la figure 2). Le demi-angle d'inclinaison au sommet du cône smectique induit par ce phénomène de bistabilité et compris dans un plan perpendiculaire à la direction du champ appliqué correspond à l'angle de tilt 0 (aussi appelé angle d'inclinaison ou de tilt en anglais). La valeur de cet angle de tilt 0 dépend du matériau à cristal liquide introduit dans la cellule 100. Conformément à l'invention, l'angle de torsion a est choisi dans un intervalle compris entre 5 degrés et l'angle de tilt 0 associé au matériau à cristal liquide considéré. La figure 3 présente une structure torsadée 300 de molécules de cristal liquide 306 dans une couche smectique 101 FLC selon un mode de réalisation particulier de l'invention. Ce mode de réalisation particulier de l'invention repose sur une approche tout à fait nouvelle et inventive consistant à imprimer à la structure du matériau à cristal liquide une torsion 300 de molécules de cristal liquide, grâce à la mise en oeuvre d'une étape de traitement de surface préalable appliquée à une couche d'alignement supérieure 302 et une couche d'alignement inférieure 303 de la couche smectique 101 FLC. Plus précisément, cette étape de traitement consiste à traiter les couches d'alignement supérieure 302 et inférieure 303, de sorte qu'elles comportent respectivement une première direction d'alignement 304 et une seconde direction d'alignement 305, ces deux directions formant entre elles un angle de torsion a supérieur à 5 degrés et inférieur à l'angle de tilt 0 du matériau FLC considéré. Ces première 304 et seconde 305 directions d'alignement sont des moyens d'alignement (dont la nature dépend de la technique d'alignement mise en oeuvre au cours de l'étape de traitement de surface) qui permettent d'influencer l'orientation des molécules de cristal liquide (c'est-à-dire l'orientation du directeur h' des molécules) lorsque le matériau à cristal liquide est introduit dans la cellule 100.
Cet angle de torsion a (par exemple égal à 15 degrés) permet d'imposer, dans les conditions d'un ancrage fort, aux molécules 306 de cristal liquide de la couche smectique 101 (et plus généralement de la cellule 100) le sens de déroulement en torsion dans l'épaisseur de la couche smectique 101. On observe donc la formation d'une structure dissymétrique 300 telle que les molécules 306 présentent des orientations différentes dans le volume de la cellule selon un angle de torsion a imposé par les directions d'alignement 304 et 305 des couches supérieure 302 et inférieure 303. Une telle structure « dissymétrique » 300 des molécules 306, se trouvant localisée dans un des pans d'un chevron 110, permet d'éviter la formation de défauts notamment de type zig-zag. Par ailleurs, le traitement de surface appliquée aux couches d'alignement est tel qu'il permet d'assurer un ancrage fort entre les molécules de cristal liquide 306 et chacune des couches d'alignement 302 et 302, c'est-à-dire permettant d'assurer le maintien de la structure 300 dans le volume de la cellule 100, même pendant le fonctionnement de la cellule (commutation du FLC par exemple). On considère que les conditions d'ancrage fort sont réunies au cours de la fabrication de la cellule électrooptique, lorsque le traitement des couches supérieure 302 et inférieure 303 permettent d'imposer en permanence aux molécules 306 de cristal liquide, situées à l'interface entre la couche supérieure 302 (respectivement la couche inférieure 303) et le matériau à cristal liquide 150 de la couche smectique 101, une orientation du directeur h' suivant la direction d'alignement 304 (respectivement la direction d'alignement 305). On rappelle ici que par interface on entend la surface séparant le matériau 150 à base de molécules de cristal liquide des couches d'alignement 302 et 303. Dans la pratique, il ressort que la condition d'ancrage fort est atteinte lorsque, sous l'action d'un champ électrique d'amplitude inférieure à 20V/µm, le directeur des molécules de cristal liquide situées au niveau de l'interface avec les couches d'alignement 302 et 303 restent alignées selon les directions d'alignement 304 305 desdites couches d'alignement 302 et 303 respectivement. Il convient de noter que les couches d'alignement 302 et 303 peuvent être traitées notamment, mais non exclusivement, à l'aide d'une quelconques des techniques de traitement de surface suivantes : - une technique de photo-alignement d'un matériau photo-polymérisable ; - une technique de peignage ; - une technique de bombardement d'électrons. Par exemple, dans le cas de la technique de peignage, les directions d'alignement sont matérialisées par des micro-rayures créées en surface d'une couche de polyimide par un mécanisme de peignage. Les molécules de cristal liquide ayant une certaine « affinité » avec ces micro-rayures de surface, s'alignent dans la direction dans laquelle ces micro-rayures ont été créées. Pour cette technique de peignage, on obtient une torsion stabilisée des molécules avec une énergie d'ancrage supérieure à 0,33.10-3 J.m 2.
Dans un mode de réalisation particulier, on utilise une couche d'interface entre chaque couche d'alignement et le matériau à cristal liquide, qui joue le rôle d'une couche d'ancrage. Cette couche d'ancrage présente des propriétés physico-chimiques appropriées permettant d'assurer un ancrage fort des molécules de cristal liquide. Elle peut être plus particulièrement mise en oeuvre dans les techniques de photo-alignement et de peignage. Il convient de noter que le principe relatif à la condition d'ancrage fort, décrit plus haut avec les couches d'alignement, peut être transposé aux couches d'ancrage déposées sur ces couches d'alignement. On présente maintenant, en relation avec la figure 4, un organigramme d'un mode de réalisation particulier du procédé de fabrication selon l'invention. L'organigramme décrit ci-après illustre le procédé de fabrication d'une cellule de cristaux liquides en phase smectique de type FLC (FELIX 15/1000, Clariant), dont l'angle de tilt 0 est égal à 22,5°. Ce procédé est basé en particulier sur une technique de traitement de photo-alignement combinée à une utilisation d'un pré-polymère à cristal liquide d'ancrage. Lors d'une première étape de dépôt 401, une couche mince d'un matériau photo-polymérisable (un polymère linéairement polymérisable de type ROLIC LPP- ROP 103 par exemple) est déposée, par exemple à la tournette, sur la lame supérieure 102 et sur la lame inférieure 103 de la cellule électro-optique 100. On obtient alors une couche d'alignement supérieure 302 pour la lame supérieure 102 et une couche d'alignement inférieure 303 pour la lame inférieure 103, chacune des couches d'alignement ayant une épaisseur sensiblement égale à 50nm par exemple. Lors d'une étape d'insolation 402, les couches d'alignement supérieure 302 et inférieure 303 sont insolées respectivement selon des première 304 et seconde 305 directions d'alignement formant entre elles un angle de torsion a tel que 5°<a<O°=22 5° (0 correspondant à l'angle de tilt du matériau FLC considéré). Pour ce faire, chaque couche d'alignement 302, 303 est soumise à un rayonnement ultraviolet (UV) polarisé linéairement. C'est la direction de polarisation qui est utilisée ici pour donner une direction d'alignement sur chacune des couches d'alignement par réticulation des chaînes polymériques dans la direction de polarisation. Ainsi, une direction d'alignement distincte peut être obtenue pour chacune des couches d'alignement supérieure 302 et inférieure 303 par rotation du plan de polarisation. Une rotation du plan de polarisation d'un angle égal à l'angle de torsion a choisi dans l'intervalle 5° < a < 0° = 22,5°(par exemple a=10°) permet d'obtenir la direction d'alignement associée à chacune des couches d'alignement. De manière avantageuse, une durée d'insolation des couches d'alignement supérieure à une heure, sous un rayonnement UV d'énergie supérieure à 500.10-3 J.m 2, permet de minimiser davantage le risque de formation de défauts lors de la fabrication de la cellule électro-optique. En effet, de telles conditions d'insolation (énergie et temps d'exposition) permettent de renforcer l'ancrage des molécules de cristal liquide dans la structure du FLC (après que le FLC ait été introduit dans la cellule au cours de l'étape 404). Lors d'une deuxième étape de dépôt 403, une couche mince d'un pré-polymère à cristal liquide dite couche d'ancrage LCP (de type LCP- ROF 5102 par exemple) est déposée, par exemple par à la tournette, sur la couche d'alignement supérieure 302 et sur la couche d'alignement inférieure 303 qui ont été précédemment insolées lors de l'étape d'insolation 402. En effet, de par la nature non stable des couches d'alignement à base de polymère linéairement polymérisable (LPP), il convient de déposer, sur chacune des couches LPP insolées, une couche de pré-polymère à cristal liquide (LCP), cette dernière prenant naturellement la même direction d'alignement que celle obtenue sur la couche d'alignement à base de LPP sur laquelle elle est déposée.
Pour obtenir une couche mince de LCP d'épaisseur sensiblement égale à 100 nm par exemple, le LCP à 25% solide doit être dilué à 2% par addition de cyclo-pentanone. Les couches de LCP sont ensuite maintenues à une température de 52°C pendant au moins 3 minutes afin d'assurer le maintien des directions d'alignement. Dès lors que l'alignement est réalisé, le pré-polymère à cristal liquide (LCP) est ensuite photopolymérisé sous atmosphère nitrogénée, par application d'un rayonnement ultraviolet (UV). Chaque couche d'ancrage LCP (dite couche d'ancrage), servant d'interface directe avec le cristal liquide FLC, permet d'assurer un ancrage fort entre les molécules de cristal liquide et les couches d'ancrage LCP (dont le principe est décrit plus haut en relation avec la figure 3). En effet, le principe relatif aux conditions d'ancrage fort décrit plus haut avec les couches d'alignement s'applique également aux couches d'ancrage LCP. De cette façon, il est possible, même en appliquant un traitement de surface des couches d'alignement avec des conditions d'ancrage faible, d'obtenir un ancrage fort des molécules de cristal liquide grâce à la présence d'une couche d'ancrage LCP. En d'autres termes, indépendamment des conditions d'ancrage appliquées lors du traitement des couches d'alignement, la présence d'une couche d'ancrage LCP servant d'interface directe avec le cristal liquide FLC permet d'assurer un ancrage fort des molécules de cristal liquide. Après avoir constitué une cellule 100 à surface stabilisée formée par les deux lames 102 et 103 traitées selon les étapes précédentes, le matériau à cristal liquide FLC est introduit dans la cellule 100, lors d'une étape de remplissage 404. Il est à noter que ce remplissage est réalisé sous vide et à une température T légèrement supérieure à la température isotrope Ti du mélange considéré. Ces conditions sont nécessaires pour éviter la formation de bulles d'air à l'intérieur de la cellule. Lors d'une étape de traitement thermique 405, le matériau à cristal liquide est refroidi lentement pendant au moins deux heures sous l'action d'un champ électrique (compris entre 1 V/µm et 2V/µm) à haute fréquence (comprise entre 1 et 5 kHz).
L'utilisation d'un champ électrique a pour effet d'éviter les effets mémoires, minimisant ainsi l'apparition de défauts intrinsèques dans la structure du matériau à cristal liquide FLC. Le matériau à cristal est refroidi lentement en suivant une diminution de température de 0,5°C à 1°C par minute jusqu'à atteindre la température ambiante (environ 20°C). Ce traitement thermique particulier a pour effet de réduire la formation de défauts tels que les chevrons dans la structure de la cellule électro-optique obtenue après fabrication. Les résultats expérimentaux suivants (réponse électro-optique, rapport de contraste) ont été obtenus pour une cellule électro-optique, d'épaisseur 1,5 µm, réalisée à partir du procédé de fabrication décrit plus haut en relation avec la figure 4, pour des angles de torsion de 10°, 20° et 30°. Angle de Temps de Rapport de torsion a commutation contraste (µs) 10° 45 418:1 20° 86 93:1 30° 160 9:1 Avec un angle de torsion de 30°(qui est supérieur à l'angle de tilt 0 = 22,5°), on remarque clairement l'apparition de défauts de structure affectant significativement les performances de la cellule. On observe en effet une baisse significative de la réponse de commutation et du contraste électro-optique. La figure 5 illustre la structure d'une cellule électro-optique 100 obtenue par application du procédé de fabrication, selon un mode de réalisation particulier de l'invention. La cellule électro-optique 100 comprend plus particulièrement : des première 102 et seconde 103 lames de matériau optiquement 20 25 30 transparent (substrats en verre par exemple) ; 5 10 - une épaisseur de matériau 150 à base de cellules de cristal liquide (FLC, AFLC, PSFLC ou PSAFLC par exemple) entre lesdites première 102 et seconde 103 lames ; - des première 302 et seconde 303 couches d'alignement ; - des première 506 et seconde 507 couches d'ancrage de pré-polymère à cristal liquide photo-polymérisé, la première 506 (respectivement seconde 507) couche d'ancrage étant disposée entre le matériau (150) à cristal liquide et la première 302 (respectivement seconde 303) couche d'alignement ; - des première 508 et seconde 509 électrodes disposées sur les surfaces des première 102 et seconde 103 lames respectivement.

Claims (13)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'une cellule électro-optique comprenant des première (102) et seconde (103) lames de matériau optiquement transparent et au moins une épaisseur d'un matériau (150) à base de molécules de cristal liquide compris entre lesdites première (102) et seconde lames (103), des première (302) et seconde (303) couches d'alignement étant déposées sur les première (102) et seconde (103) lames respectivement, ledit procédé comprenant une étape de traitement (402) desdites première (302) et seconde couches (303) d'alignement, selon des première (304) et seconde (305) directions d'alignement respectivement, ledit procédé étant caractérisé en ce que lesdites première (304) et seconde (305) directions d'alignement forment entre elles un angle de torsion a tel que : 5° < a < 0, avec 0 un angle de tilt associé auxdites molécules de cristal liquide.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans ladite étape de traitement (402) des première (302) et seconde (303) couches d'alignement, lesdites première (302) et seconde (303) couches d'alignement présentent chacune une énergie d'ancrage supérieure ou égale à un seuil prédéterminé tel que, en considérant que le matériau à base de molécules de cristal liquide est compris dans la cellule électrooptique et qu'un champ électrique d'une valeur prédéterminée est appliqué à la cellule électro-optique, les molécules de cristal liquide situées à une interface commune entre le matériau (150) et la première (302), respectivement seconde (301), couche d'alignement restent sensiblement parallèles à la direction d'alignement associée à ladite première (302), respectivement seconde (303), couche d'alignement.
  3. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le matériau (150) à base de molécules de cristal liquide appartient au groupe comprenant : - un matériau à cristal liquide ferroélectrique (FLC) ; - un matériau à cristal liquide anti-ferroélectrique (AFLC) ; un matériau à cristal liquide ferroélectrique stabilisé par un polymère (PSFLC) ; un matériau à cristal liquide anti-ferroélectrique stabilisé par un polymère (PSAFLC).ti
  4. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, chacune des première (302) et seconde (303) couches d'alignement étant constituée d'un matériau photopolymérisable, l'étape de traitement (402) des première et seconde couches d'alignement comprend les sous-étapes suivantes : - insolation de la première (302) couche d'alignement par application d'un rayonnement ultraviolet selon une première direction de polarisation formant ladite première direction d'alignement (304); - insolation de la seconde (303) couche d'alignement par application d'un rayonnement ultraviolet selon une seconde direction de polarisation formant ladite seconde direction d'alignement (305), lesdites première et seconde directions de polarisation formant entre elles ledit angle de torsion.
  5. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que, dans l'étape de traitement des première (302) et seconde (303) couches d'alignement, l'énergie d'insolation est supérieure à 500.10-3 J.m2.
  6. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que lesdites première et seconde couches d'alignement sont insolées pendant au moins une heure lors de l'étape de traitement (402).
  7. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chacune des première et seconde couches d'alignement est un polymère de type 20 polyimide, et en ce que l'étape de traitement (402) des première et seconde couches d'alignement est effectuée selon une technique de traitement de surface par peignage, avec l'énergie d'ancrage supérieure à 0,33.10-3 J.m2.
  8. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il 25 comprend les étapes suivantes : - dépôt (403) d'une couche (506, 507) de pré-polymère à cristal liquide sur au moins une des première (302) et seconde (303) couches d'alignement ; - insolation de ladite couche de pré-polymère à cristal liquide par application d'un rayonnement ultra-violet sous atmosphère nitrogénée. 30
  9. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chacune des première (302) et seconde (303) couches d'alignement est constituée d'unmatériau à base d'oxyde de silicium, déposé par évaporation et formant un angle d'inclinaison avec la lame sur laquelle est déposée ladite couche d'alignement, induisant un angle de pretilt compris entre 20 et 25°, et une direction d'orientation des molécules de cristal liquide.
  10. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - injection (404) du matériau (150) à base de molécules de cristal liquide dans la cellule électro-optique ; et refroidissement progressif (405) du matériau (150) à base de molécules de cristal liquide injecté tel que ledit matériau injecté est refroidi pendant au moins deux heures, sous un champ électrique d'au moins 1 V/ycm à fréquence supérieure à 1 kHz appliqué à la cellule électro-optique.
  11. 11. Cellule électro-optique comprenant des première (102) et seconde (103) lames de matériau optiquement transparent et au moins une épaisseur (101) d'un matériau (150) à base de molécules de cristal liquide compris entre lesdites première et seconde lames, des première (302) et seconde (303) couches d'alignement étant déposées sur les première (102) et seconde (103) lames respectivement, lesdites première (302) et seconde (303) couches d'alignement étant traitées selon des première (304) et seconde (305) directions d'alignement respectivement, la cellule électro-optique étant caractérisée en ce que lesdites première (304) et seconde (305) directions d'alignement forment entre elles un angle de torsion a tel que : 5°<a<0, avec 0 un angle de tilt associé aux molécules de cristal liquide dudit matériau (150).
  12. 12. Cellule électro-optique selon la revendication 11, caractérisée en ce que lesdites première (302) et seconde (303) couches d'alignement présentent chacune une énergie d'ancrage supérieure ou égale à un seuil prédéterminé tel que, en considérant que le matériau (150) à base de molécules de cristal liquide est compris dans la cellule électrooptique (100) et qu'un champ électrique d'une valeur prédéterminée est appliqué à la cellule électro-optique (100), les molécules de cristal liquide situées à une interface commune entre le matériau (150) et la première (302), respectivement seconde (301), couche d'alignement restent sensiblement parallèles à la direction d'alignement associée à ladite première (302), respectivement seconde (303), couche d'alignement
  13. 13. Cellule électro-optique selon l'une quelconque des revendications 11 et 12, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une couche (506, 507) photopolymérisée de pré-polymère à cristal liquide sur au moins une des première (302) et seconde (303) couches d'alignement.5
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