FR3033331A1 - Materiau destine a la realisation d'un dispositif d'obturation electro-optique a trois etats de transmission, dispositif et utilisations correspondants. - Google Patents

Abstract

Il est proposé un matériau destiné à la réalisation d'un dispositif d'obturation électro-optique, ledit matériau comprenant un cristal liquide nématique hôte, au moins un dopant chiral invité et un colorant dichroïque noir invité. La biréfringence (An) du cristal liquide nématique hôte est supérieure à 0,20. La concentration du au moins un dopant chiral est ajustée pour que le matériau ait un pas d'hélice compris dans la plage 500 nm à 800 nm. La concentration du colorant dichroïque noir invité est comprise entre 2 et 4% en poids dudit matériau. Le rapport dichroïque du colorant dichroïque noir invité est supérieur ou égal à 8.

Description

1 Matériau destiné à la réalisation d'un dispositif d'obturation électro-optique à trois états de transmission, dispositif et utilisations correspondants. 1. DOMAINE DE L'INVENTION Le domaine de l'invention est celui de la conception et la réalisation de composants optiques mettant en oeuvre des matériaux à base de cristal liquide. Plus précisément, l'invention concerne un matériau (mélange) à base de cristal liquide destiné à la réalisation de dispositifs d'obturation électro-optique (aussi appelés atténuateurs-obturateurs optiques), préférentiellement isotropes, à états de transmission multiples et en particulier des atténuateurs-obturateurs optiques à trois états de transmission permettant d'atteindre des niveaux de contraste élevés. Il s'agit de dispositifs (atténuateurs/modulateurs de lumière) sans polariseur, utilisant un mélange composite cristal liquide nématique hôte avec au moins un dopant chiral invité et un colorant dichroïque noir invité, et disposant d'un état diffusant (« Liquid Crystal Dark Scatter »). Pour de tels dispositifs, il existe un besoin de disposer de plus de deux états de transmission avec des niveaux de contraste élevés. L'invention s'applique notamment, mais non exclusivement, à la réalisation de lunettes anti-éblouissement, lunettes 3D actives et obturateurs programmables rapides avec des temps de commutation de quelques fractions de ms à quelques dizaines de ms. 2. ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE Afin de réaliser un dispositif d'obturation électro-optique isotrope, il est déjà connu d'utiliser un matériau comprenant un cristal liquide nématique hôte, au moins un dopant chiral invité et au moins un colorant dichroïque invité. Une première solution connue est proposée dans la demande de brevet US 2014/0226096A1, qui décrit un dispositif d'obturation à base de cristal liquide mettant en oeuvre trois états de transmission avec des niveaux de transmittance de 70%, 40% et 2% respectivement : un état transparent (« clear state », « low-haze low-tint state »), correspondant à l'état homéotrope (F3), un état teinté (« tinted state », « low-haze hightint state »), correspondant à l'état planaire (El.), et un état opaque (« opaque state », « low-haze low-tint state »), correspondant à un état diffusant (« dynamic scattering state ») qui n'est pas l'état à conique focale (E2). Plus précisément, dans un exemple de réalisation, le mélange à base de cristal liquide comprend un cristal liquide cholestérique 3033331 2 (cristal liquide nématique et un ou plusieurs dopants chiraux) et au moins un dopant dichroïque. Le rapport (d/p) entre l'épaisseur (d) et le pas d'hélice (p, pour « pitch » en anglais), est inférieur à 1,5. La technique décrite dans ce document ne met pas en oeuvre l'état à conique focale (E2) mais s'appuie sur des effets ioniques pour générer un état 5 diffusant (« dynamic scattering state ») grâce à l'utilisation d'un dopant ionique (cf. § [0078], [0079] et [0113]). Une deuxième solution connue est proposée dans la demande de brevet US 2010/0039595A1, qui décrit un dispositif à cristal liquide comprenant un colorant dichroïque et un composé chiral, tel que le rapport entre le pas d'hélice (pitch) et 10 l'épaisseur du matériau à cristal liquide est compris entre 0,06 et 1,0. Le pas d'hélice est compris entre 1 et 5 ium. Une troisième solution connue est proposée dans l'article « Chun-Ta Wang and Tsung-Hsien Lin, "Bistable reflective polarizer-free optical switch based in dye-doped cholesteric liquid crystal" (Optical Material Express, 2011, Von, N°8 - 2011) », qui 15 décrit un matériau DDCLC (« Dye-doped cholesteric liquid crystal ») comprenant un cristal liquide cholestérique (CLC, pour « cholesteric liquid crystal ») et un colorant dichroïque (« dye »). Cet article propose d'exploiter et de commuter entre deux états stables obtenus avec un pas d'hélice de 220 nm (le mélange est choisi pour être reflectif (état planaire) dans l'ultra-violet) : un état planaire (El), considéré comme l'état opaque 20 (ou état sombre, « dark state »), et un état ULH (« Uniformly-lying helical state »), considéré comme l'état clair (« bright state »). Cet article mentionne également, mais en la déconseillant car elle réduit le contraste, l'utilisation de l'état à conique focale (E2) comme état opaque (à la place de l'état planaire (El)), avec un pas d'hélice de 380 nm pour réduire la tension de commande. En d'autres termes, cet article ne cherche pas à 25 obtenir un état bloquant optimal dans l'état à conique focale (E2), ni un état semi- transparent (état intermédiaire) dans l'état planaire (El). En résumé, aucune des trois solutions connues ne propose un matériau permettant de réaliser un dispositif d'obturation électro-optique à trois états de transmission, correspondants respectivement aux états planaire (El), à conique focale 30 (E2) et homéotrope (E3), avec des niveaux de contraste élevés. 3. OBJECTIF DE L'INVENTION 3033331 3 Dans au moins un mode de réalisation de l'invention, un objectif est de fournir une technique permettant de réaliser un dispositif d'obturation électro-optique à trois états de transmission et avec des niveaux de contraste élevés. 4. EXPOSÉ DE L'INVENTION 5 Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, il est proposé un matériau destiné à la réalisation d'un dispositif d'obturation électro-optique, ledit matériau comprenant un cristal liquide nématique hôte, au moins un dopant chiral invité et un colorant dichroïque noir invité. Ce matériau possède les caractéristiques suivantes : la biréfringence (An) du cristal liquide nématique hôte est supérieure à 0,20 ; 10 la concentration du au moins un dopant chiral est ajustée pour que le matériau ait un pas d'hélice compris dans la plage 500 nm à 800 nm ; la concentration du colorant dichroïque noir invité est comprise entre 2 et 4% en poids dudit matériau ; et le rapport dichroïque du colorant dichroïque noir invité est supérieur ou égal à 8.

15 Ainsi, il est proposé un matériau à cristal liquide de composition spécifique. En effet, on agit sur trois types de paramètres pris en combinaison pour optimiser simultanément les performances de transmission de l'état planaire (El), comme absorbant et non comme réflecteur, et l'état à conique focale (E2). Le choix de ces trois types de paramètres et la spécification de leurs plages de valeurs est au coeur du concept 20 inventif. Ces trois types de paramètres sont (a) la biréfringence du cristal liquide nématique, (b) la valeur du pas de l'hélice (ou « pitch ») qui va optimiser à la fois l'absorption de l'état planaire (El) et l'achromatisation de l'état à conique focale (E2) diffusant, et (c) la concentration et le rapport dichroïque du colorant dichroïque noir. Le fait d'utiliser une biréfringence élevée supérieure à 0,20 en combinaison avec 25 un pas d'hélice compris entre 500 nm et 800 nm permet d'accroître l'effet de diffusion. Le fait de disposer d'un colorant dichroïque noir permet d'assurer une absorption achromatique (colorant neutre sur le plan chromatique). La combinaison d'une biréfringence élevée, d'un pas d'hélice compris entre 500 et 800 nm et de l'utilisation d'un colorant dichroïque noir a pour effet d'obtenir d'une part une optimisation de 30 l'absorption de l'état planaire (El) et d'autre part un effet diffusant et une absorption achromatique dans l'état à conique focale (E2) (optimisation des deux effets réalisant 3033331 4 l'atténuation dans l'état à conique focale : atténuation par absorption et atténuation par diffusion). Ce matériau, lorsqu'il est adressé électriquement de manière appropriée, permet la création d'au moins trois états d'atténuation isotrope, permettant de réaliser une 5 fonction de filtrage d'intensité lumineuse uniforme dans la bande spectrale visible (sans effet chromatique). Parmi ces états figurent (i) un état ouvert correspondant à l'état homéotrope (F3) et dont la transmittance se situe par exemple entre 70 et 80%, (ii) un état bloquant correspondant à l'état à conique focale (E2) et dont la transmittance est par exemple inférieure à 1% et (iii) un état intermédiaire correspondant à l'état planaire (El) 10 et dont la transmittance est par exemple comprise entre 35 et 45%. Ces états sont maintenus par l'application d'une forme de champ électrique ou bien sont des états stables intrinsèque du matériau. Selon une caractéristique particulière, la viscosité du cristal liquide nématique hôte est inférieure ou égale à 400 mPa.s à la température de 20°C.

15 De cette façon, on améliore encore les performances du matériau. Selon une caractéristique particulière, la permittivité diélectrique différentielle (AE) du cristal liquide nématique hôte est supérieure ou égale à 15. Ceci permet de réduire les valeurs de tension appliquées pour atteindre l'état homéotrope (E3) et l'état à conique focale (E2).

20 Selon une caractéristique particulière, le cristal liquide nématique hôte est un cristal liquide à double fréquence. L'utilisation d'un cristal liquide à double fréquence (« dual frequency liquid crystal » en anglais) permet d'accélérer les temps de commutation entre états du matériau, lorsqu'un signal de tension est appliqué.

25 Dans un autre mode de réalisation de l'invention, il est proposé un dispositif d'obturation électro-optique comprenant au moins une cellule comprenant, entre deux lames de matériau optiquement transparent, une couche de matériau tel que précité (selon l'un quelconque des modes de réalisation). Selon une caractéristique particulière, la couche de matériau possède une 30 épaisseur comprise entre 3 et 6 'dm.

3033331 5 Selon une caractéristique particulière, le dispositif d'obturation électro-optique comprend des moyens d'application d'un signal de tension entre deux électrodes disposées chacune sur l'une des deux lames de matériau optiquement transparent, les moyens d'application étant configurés pour faire atteindre sélectivement un des états 5 suivants à ladite au moins une cellule, en fonction du signal de tension appliqué : un état homéotrope (F3) sensiblement transparent et associé à une première valeur de transmittance, un état planaire (El) sensiblement semi-transparent et associé à une deuxième valeur de transmittance inférieure à la première valeur de transmittance, et 10 un état à conique focale (E2) sensiblement opaque et associé à une troisième valeur de transmittance inférieure à la deuxième valeur de transmittance. Selon une caractéristique particulière, pour une longueur d'onde comprise entre 400 et 700 nm: la première valeur de transmittance est supérieure ou égale à 65% ; 15 la deuxième valeur de transmittance est comprise dans la plage 30% à 45% ; et la troisième valeur de transmittance est inférieure à 3%. Selon une caractéristique particulière, les moyens d'application sont configurés pour que le signal de tension possède : un premier niveau d'amplitude comprise entre 25 et 35 V, pour faire atteindre 20 l'état homéotrope (E3) à la au moins une cellule ; un deuxième niveau d'amplitude intermédiaire comprise entre 3% et 25% de l'amplitude du premier niveau, pour faire atteindre l'état à conique focale (E2) à la au moins une cellule ; et un troisième niveau d'amplitude égale à 0 V, pour faire atteindre l'état planaire 25 (El) à la au moins une cellule. Selon une caractéristique particulière, le signal de tension possède une fréquence comprise en 0,5 Hz et 100 Hz. Diverses utilisations du dispositif précité sont possibles, et notamment (mais non exclusivement) : 30 - pour la réalisation d'un masque ou une paire de lunettes solaires à trois états ; 3033331 6 - pour la réalisation d'un panneau à cristaux liquides à taux de transmission variable ; et - pour la réalisation d'un élément d'image (pixel) d'un écran à cristal liquide. 5. LISTE DES FIGURES 5 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 : - la figure 1 présente la structure simplifiée d'un dispositif d'obturation électrooptique selon un mode de réalisation particulier de l'invention ; 10 - la figure 2 illustre la structure connue d'un cristal liquide cholestérique ; - la figure 3 illustre le principe connu d'adressage des trois états El, E2 et E3 d'un cristal liquide cholestérique ; - la figure 4 présente plusieurs courbes illustrant l'évolution du coefficient de diffusion en fonction de la longueur d'onde pour différentes tailles de structures 15 diffusantes ; - la figure 5 illustre deux modes (statique et dynamique) d'adressage électrique de la cellule pour un matériau selon un mode de réalisation particulier de l'invention ; - la figure 6 est un spectrogramme de transmission pour les états El, E2 et E3, 20 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. On présente, en relation avec la figure 1, la structure simplifiée d'un dispositif 25 d'obturation électro-optique 100 selon un mode de réalisation particulier de l'invention. On considère par exemple que la lumière incidente (représentée par la flèche A), qui arrive sur le dispositif d'obturation 100, est non polarisée et présente une bande spectrale large dans le visible (sensiblement comprise entre 400 nm et 700 nm). Le dispositif d'obturation électro-optique 100 comprend une cellule 1 30 comprenant elle-même, entre deux lames de matériau optiquement transparent 2, 3 (par exemple des lames de verre optique), une couche de matériau (mélange) 4 (dont la 3033331 7 composition est discutée en détail ci-après) commutable entre différents états (El, E2 et E3). Le dispositif d'obturation électro-optique 100 comprend également des moyens 5 d'application d'un signal de tension V entre deux électrodes disposées chacune sur l'une des deux lames 2, 3. Par exemple, chaque lame 2, 3 comprend, sur sa surface 5 interne, une couche d'oxyde d'indium-étain (matériau optiquement transparent et conducteur d'électricité) formant électrode conductrice (non représentée). Les moyens d'application du signal de tension V sont configurés pour faire atteindre sélectivement un des états El, E2 et E3 à la cellule 1, en fonction du signal de tension appliqué. Ils comprennent par exemple une source de tension 51 (générant un signal de tension 10 d'amplitude variable, par exemple entre OV et 35V) et un interrupteur 52 (permettant d'appliquer ou non le signal de tension V sur les électrodes). Le matériau 4 contenu dans la cellule 1 comprend un cristal liquide nématique hôte, au moins un dopant chiral invité et un colorant dichroïque noir invité. En d'autres termes, le cristal liquide utilisé dans le cadre de l'invention est de 15 type cholestérique. En effet, de manière connue, un cristal liquide cholestérique est un cristal liquide nématique comprenant un ou plusieurs dopants chiraux. Ce mélange forme plusieurs couches, caractérisées chacune par une orientation particulière des molécules selon un « directeur » (le directeur désigne l'orientation moyenne des molécules dans chaque couche). Comme illustré sur la figure 2, le directeur des 20 différentes couches évolue de manière à former une hélice. Par définition, le pas de cette hélice (P) (en anglais « pitch ») correspond à la longueur (nm) entre deux couches (Cl, C2) présentant un même directeur (i.e. même direction et même sens : D1 = D2). Le pas de l'hélice peut être modifié selon la concentration de dopant chiral. Les cristaux liquides cholestérisques possèdent deux états stables (El, E2) 25 correspondant à deux phases distinctes : - une phase planaire (El), où l'axe hélicoïdal 20 est perpendiculaire aux lames de la cellule à cristal liquide (état réfléchissant dans une bande spectrale de réflexion caractéristique du cristal liquide cholestérique, et transparent hors de cette dernière) ; et 3033331 8 - une phase dite à « conique focale » (E2) où les axes hélicoïdaux sont orientés aléatoirement (état diffusant). Pour sélectionner l'un de ces deux états stables (El, E2), il est nécessaire de passer par un état instable intermédiaire dit « homéotrope » (F3). L'application d'un 5 champ électrique d'amplitude croissante (grâce au signal de tension V) permet de passer successivement de l'état à conique focale (E2) à l'état homéotrope (F3) ou de l'état planaire (El) à l'état homéotrope (E3) en passant par l'état à conique focale (E2). La coupure brutale du champ fait relaxer l'état homéotrope (F3) vers l'état planaire (El). Une coupure brutale du champ en conique focale (E2) ne change rien puisque cet état 10 est stable. Si on effectue une coupure lente ou partielle du champ électrique, on revient dans l'état à conique focale (E2) en partant de l'état homéotrope (F3). Ces transitions sont illustrées sur la figure 3. Les flèches référencées 31, 32 et 33 correspondent respectivement aux transitions suivantes : El à E2 puis E2 à E3, F3 à E2, et E3 à El. L'utilisation d'un colorant noir anisotrope (« black dye », ou encore « colorant 15 dichroïque noir ») a pour effet d'accroître l'absorption. Les molécules de colorant étant de forme allongée, elles absorbent la lumière selon une direction et sont de ce fait des absorbant anisotropes. Un colorant noir (« black dye ») correspond à un mélange de plusieurs colorants. Ainsi, le cristal liquide cholestérique, quand il est associé à un colorant noir anisotrope, voit ses propriétés modifiées : 20 - l'état planaire (El) devient absorbant (au lieu de transparent) hors de la bande spectrale particulière de réflexion (visible ou IR) ; - l'état à conique focale (E2) est simultanément absorbant et diffusant (au lieu de diffusant seulement) ; et - l'état homéotrope (E3) reste transparent.

25 La phase de l'état à conique focale (E2) diffusant est structurée en domaines dont la taille dépend du pas de l'hélice (P). Plus le pas de l'hélice est grand, plus les domaines le sont. Or, l'effet de diffusion dépend de la taille des domaines, de la biréfringence (An) et de l'épaisseur de la cellule (d). Expérimentalement, la taille des domaines utilisés est de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde (régime de diffusion 30 de Mie). Dans ces conditions, l'intensité de la lumière diffusée varie en fonction de la 3033331 9 longueur d'onde selon une loi en ?\.' avec n variant de 4 à z' 0, lorsque la taille des domaines augmente (diffusion géométrique achromatique), mais dans ce cas, l'amplitude du phénomène de diffusion diminue. Cette diminution doit être compensée par l'effet d'absorption du colorant et par une augmentation de la biréfringence pour 5 une épaisseur constante donnée. Cette achromaticité s'obtient pour des pas d'hélice assez élevés (les longueurs d'onde réfléchies sont clairement dans l'infrarouge). Les concentrations en dopants chiraux sont typiquement comprises entre 7% et 15%. Concernant l'état planaire (El), la sensibilité vis-à-vis de la polarisation de la lumière diminue quand le pas de l'hélice diminue (pour une épaisseur de cellule 10 donnée). Cela vient du fait que pour une lumière dépolarisée, plus le phénomène d'absorption paraît isotrope plus l'absorption sera importante. Ainsi pour un cristal liquide nématique uniforme, quelle que soit la concentration en dopant et quelle que soit l'épaisseur de la cellule, l'absorption ne pourra jamais dépasser 50%. Dans chaque couche, les molécules de colorant noir s'orientent selon le directeur. La distribution des 15 directeurs permet une absorption par chaque couche dans une direction spécifique, permettant une absorption dans toutes les directions par combinaison des différentes couches (i.e. absorption isotrope). Pour optimiser l'absorption de l'état planaire (El) (comme absorbant et non comme réflecteur) et son isotropie, le pas d'hélice est compris entre 500 et 800 nm.

20 Comme déjà mentionné plus haut, le caractère innovant de l'invention réside dans la composition du matériau (mélange) et plus précisément sur le fait d'agir sur trois types de paramètres pris en combinaison pour optimiser simultanément les performances de transmission des états planaire (El) et à conique focale (E2). Le choix de ces trois types de paramètres et la spécification de leurs plages de valeurs est au coeur 25 du concept inventif. Ces trois types de paramètres sont (a) les caractéristiques du cristal liquide nématique (biréfringence, viscosité, permittivité diélectrique différentielle), (b) la valeur du pas de l'hélice (ou « pitch ») qui va optimiser à la fois l'absorption de l'état planaire (El) et l'achromatisation de l'état à conique focale (E2) diffusant, et (c) la concentration et le rapport dichroïque du colorant dichroïque noir, pour une épaisseur 30 donnée.

3033331 10 Compte-tenu du mécanisme de diffusion décrit plus haut, le choix du pas de l'hélice a aussi un impact sur la phase diffusante (E2). En conséquence, un optimum doit être trouvé pour optimiser à la fois l'absorption de l'état planaire (El) et l'achromaticité et l'atténuation additionnelle par diffusion de l'état à conique focale 5 (E2). La figure 4 illustre l'évolution du coefficient de diffusion (« scattering coefficient ») en fonction de la longueur d'onde (« wavelength ») pour différentes tailles de structures diffusantes, par exemple des défauts de 1,000 0,300 µm et 0,100 respectivement, créés dans la phase à conique focale (E2). Ces défauts ont une taille de l'ordre du pas de l'hélice. Plus cette taille est grande par rapport à la longueur d'onde, 10 moins la diffusion est sensible à cette longueur d'onde (cas de diffusion achromatique). L'idée consiste à obtenir un état bloquant (atténuation) optimal dans la phase à conique focale (E2), en combinant deux effets : l'absorption et la diffusion. Ceci est possible en optimisant simultanément ces deux effets, impliquant l'optimisation de la taille du pas de l'hélice, la biréfringence et la concentration de colorant dichroïque noir 15 visant à obtenir un état à conique focale (E2) optimal. Comme déjà mentionné plus haut, l'utilisation d'un cristal liquide cholestérique (CLC) avec des dopants dichroïques est connue dans la littérature. En général (voir notamment l'article précité intitulé "Bistable reflective polarizer-free optical switch based on dye-doped cholesteric liquid crystal"), on recherche une optimisation de l'état 20 planaire (El) (comme absorbant et non comme réflecteur) dans le visible (choix de taille de pas d'hélice entre 200 et 350nm). Un état de focale conique (E2) est alors également observable dans le visible mais compte tenu du rapport entre longueur d'onde et taille du diffuseur (domaines liés à la taille du pas d'hélice) l'intensité de la lumière diffusée varie en fonction de la longueur d'onde comme indiqué plus haut.

25 Achromatiser le diffuseur suppose une augmentation des domaines (par exemple entre 500 et 800 nm). Dans ce cas, l'amplitude du phénomène de diffusion diminue. Une façon de l'augmenter consiste à augmenter la biréfringence de ces domaines. Les réponses spectrales ci-dessus montrent l'impact des différents paramètres sur le contraste et en particulier sur les états bloquants obtenus avec différents dopants 30 chiraux en régime planaire (El) et à conique focale (E2).

3033331 11 Ainsi, la solution proposée permet d'optimiser deux effets, d'absorption et de diffusion, de manière combinée, en rendant notamment l'absorption de la cellule isotrope par l'emploi d'un pas d'hélice compris entre 500 et 800 nm (le mélange est réflectif (état planaire) dans le proche infra-rouge) pour une épaisseur de cellule 5 comprise entre 3 et 6 ium. En même temps, la solution proposée permet d'optimiser la propriété des diffuseurs, la taille des éléments diffusants par rapport à la longueur d'onde et leur variation de biréfringence, de manière à obtenir un diffuseur le plus diffusant possible tout en ayant une réponse spectrale uniforme dans la bande visible, ce qui suppose que le colorant dichroïque noir soit également neutre dans la dite bande.

10 Le choix du colorant dichroïque noir est conditionné par sa caractéristique d'absorption (la plus neutre possible), sa miscibilité et son rapport dichroïque (« dichroic ratio » en anglais). On définit le rapport dichroïque (aussi appelé « rendement dichroïque ») par / A1, pour une épaisseur de matériau donnée, où : = CA [Cid : coefficient d'absorption pour l'axe extraordinaire ; 15 = CAH[Cid: coefficient d'absorption pour l'axe ordinaire ; avec d l'épaisseur du matériau traversé et C la concentration du colorant. Ainsi, il est possible d'ajuster le taux de transmission en sélectionnant la concentration du colorant (C), l'épaisseur de matériau et le rendement dichroïque (A / A11). Selon une spécificité de l'invention, le rendement dichroïque du colorant noir est 20 supérieur ou égal à 8. Dans une implémentation particulière, le matériau (mélange) est défini avec les caractéristiques suivantes : - colorant dichroïque noir : o concentration : 2 à 4% ; 25 o rapport dichroïque supérieur ou égal à 8 ; - dopants chiraux (la concentration des dopants chiraux est ajustée pour modifier le pas de l'hélice du cristal liquide cholestérique dans le domaine infra-rouge) : o concentration : 7 à 15% ; o types de dopants chiraux : S811 (chiralité gauche) ou R811 (chiralité 30 droite) ; 3033331 12 o pas de l'hélice (droite/gauche) : 500 à 800 nm ; - épaisseur de la cellule : entre 3 et 6 pm ; - cristal liquide hôte : o type : nématique ; 5 o biréfringence : >0,20 ; o viscosité : 400 mPa.s à la température de 20°C ; o permittivité diélectrique différentielle : AE>15 (plus la valeur est élevée plus les tensions appliquées sont faibles). La permittivité diélectrique différentielle AE (pas d'unité) est définie comme la 10 différence entre les permittivités El et E// correspondant aux ondes extraordinaire et ordinaire respectivement). Dans une implémentation particulière, on utilise un cristal liquide nématique à double fréquence (« dual frequency »), qui permet d'accélérer les transitions d'état. La figure 5 illustre deux modes (statique et dynamique) d'adressage électrique 15 de la cellule pour un matériau selon un mode de réalisation particulier de l'invention. L'utilisation du matériau (mélange) détaillé ci-dessus, pour réaliser un dispositif d'obturation électro-optique, nécessite une adaptation des signaux appliqués pour permettre d'adresser correctement les trois états El, E2 et F3. Sous l'effet d'un signal électrique approprié (signal de tension V, voir figure 1), le mélange permet d'optimiser 20 l'effet diffusant dans l'état à conique focale E2 (efficacité de diffusion et sensibilité moindre à la longueur d'onde). L'adressage de l'état planaire (El) et de l'état à conique focale (E2) s'effectue électriquement à partir de l'état homéotrope (E3) en coupant brutalement ou partiellement le champ électrique aux bornes de la cellule (cf. figure 3). Pour atteindre 25 l'état à conique focale (E2), l'amplitude du signal de tension passe d'une forte amplitude V1 (25 à 35 V) appliquée à l'état F3 à une amplitude de maintien V2 beaucoup plus faible (entre 3% et 25% de V1, par exemple 4 à 12 V). Pour obtenir l'état planaire (El), une coupure totale et rapide du champ est appliquée (i.e. l'amplitude du signal de tension passe de la forte valeur V1 à la valeur V3=0). Ainsi, l'état El est 3033331 13 obtenu avec un mode d'adressage statique (repos), avec V3=0V. Les états F3 et E2 sont obtenus avec un mode d'adressage dynamique, avec V1 et V2 respectivement. La fréquence du signal de tension appliqué est comprise en 0,5 Hz et 100 Hz. La partie basse (II) de la figure 5 présente un exemple de chronogramme du 5 signal de tension V pour l'adressage des états E2 et E3 en mode dynamique. En appliquant un champ électrique d'intensité élevée, au moyen d'une tension de commande égale à +30V par exemple, la cellule commute dans l'état homéotrope F3. Puis, en appliquant un champ électrique de faible intensité, au moyen d'une tension de commande égale à +3V par exemple, la cellule commute dans l'état à conique focale 10 E2. Puis, pour commuter la cellule à nouveau dans l'état E3, on applique à nouveau un champ électrique d'intensité élevée, mais au moyen d'une tension de commande négative égale à -30V par exemple. Puis, pour commuter la cellule dans l'état E2, on applique à nouveau un champ électrique de faible intensité, mais au moyen d'une tension de commande négative égale à -3V par exemple. Le fait d'appliquer 15 successivement un cycle de champs électriques forts/faibles avec des valeurs positives et un cycle de champs électriques forts/faibles avec des valeurs négatives, permet d'assurer une commutation efficace de la cellule (les problèmes liés aux charges ioniques étant ainsi minimisés). Bien entendu, il est possible de mettre en oeuvre un régime de commande basé uniquement sur des champs électriques de valeurs positives 20 ou uniquement sur des champs électriques de valeurs négatives. La partie haute (I) de la figure 5 présente les niveaux de transmission associés aux états El, E2 et E3 du matériau : pour F3, transmission supérieure ou égale à un seuil de 65% ; pour El, transmission comprise dans la plage 30 à 45% ; pour E2, transmission inférieure ou égale à un seuil lui-même compris dans la plage 1 à 3%.

25 La figure 6 est un spectrogramme de transmission pour les états El, E2 et E3, selon un mode de réalisation particulier de l'invention. Il montre un exemple d'optimisation du mélange pour obtenir un fort contraste entre plusieurs états. Dans le cas présent, la présence de trois états (El, E2, E3) permet d'envisager une solution intéressante d'obturateur pour lunettes de soleil obturantes à trois états (pour une 30 longueur d'onde comprise entre 400 et 700 nm: 3033331 14 - un état ouvert (passant), de haute transmittance supérieure ou égale à 65% (correspondant à l'état E3), - un état intermédiaire (de type lunettes de soleil, correspondant au cas d'usage d'un polariseur), de transmittance comprise dans la plage 30% à 45% 5 (correspondant à l'état El), et - un état bloquant (anti-éblouissement), de transmittance inférieure à 3% (correspondant à l'état E2). De nombreuses utilisations de l'invention peuvent être envisagées, pour la réalisation notamment d'un masque ou une paire de lunettes solaires à trois états, un 10 panneau à cristaux liquides à taux de transmission variable, un élément d'image (pixel) d'un écran à cristal liquide, etc.

Claims (13)

1. REVENDICATIONS1. Matériau destiné à la réalisation d'un dispositif d'obturation électro-optique, ledit matériau comprenant un cristal liquide nématique hôte, au moins un dopant chiral invité et un colorant dichroïque noir invité, caractérisé en ce que : la biréfringence (An) du cristal liquide nématique hôte est supérieure à 0,20 ; la concentration du au moins un dopant chiral est ajustée pour que le matériau ait un pas d'hélice compris dans la plage 500 nm à 800 nm ; la concentration du colorant dichroïque noir invité est comprise entre 2 et 4% en poids dudit matériau ; et le rapport dichroïque du colorant dichroïque noir invité est supérieur ou égal à 8.
2. 2. Matériau selon la revendication 1, caractérisé en ce que la viscosité du cristal liquide nématique hôte est inférieure ou égale à 400 mPa.s à la température de 20°C.
3. 3. Matériau selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la permittivité diélectrique différentielle (AE) du cristal liquide nématique hôte est supérieure ou égale à 15.
4. 4. Matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le cristal liquide nématique hôte est un cristal liquide à double fréquence.
5. 5. Dispositif d'obturation électro-optique comprenant au moins une cellule comprenant, entre deux lames de matériau optiquement transparent, une couche de matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 4.
6. 6. Dispositif d'obturation électro-optique selon la revendication 5, caractérisé en ce que la couche de matériau possède une épaisseur comprise entre 3 et 6 dm.
7. 7. Dispositif d'obturation électro-optique selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'application d'un signal de tension entre deux électrodes disposées chacune sur l'une des deux lames de matériau optiquement transparent, les moyens d'application étant configurés pour faire atteindre sélectivement un des états suivants à ladite au moins une cellule, en fonction du signal de tension appliqué : un état homéotrope (F3) sensiblement transparent et associé à une première valeur de transmittance, 3033331 16 - un état planaire (El) sensiblement semi-transparent et associé à une deuxième valeur de transmittance inférieure à la première valeur de transmittance, et - un état à conique focale (E2) sensiblement opaque et associé à une troisième valeur de transmittance inférieure à la deuxième valeur de transmittance. 5
8. 8. Dispositif d'obturation électro-optique selon la revendication 7, caractérisé en ce que, pour une longueur d'onde comprise entre 400 et 700 nm: - la première valeur de transmittance est supérieure ou égale à 65% ; - la deuxième valeur de transmittance est comprise dans la plage 30% à 45% ; et - la troisième valeur de transmittance est inférieure à 3%. 10
9. 9. Dispositif d'obturation électro-optique selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que les moyens d'application sont configurés pour que le signal de tension possède : - un premier niveau (V1) d'amplitude comprise entre 25 et 35 V, pour faire atteindre l'état homéotrope (E3) à la au moins une cellule ; 15 - un deuxième niveau (V2) d'amplitude intermédiaire comprise entre 3% et 25% de l'amplitude du premier niveau (V1), pour faire atteindre l'état à conique focale (E2) à la au moins une cellule ; et - un troisième niveau (V3) d'amplitude égale à 0 V, pour faire atteindre l'état planaire (El) à la au moins une cellule. 20
10. 10. Dispositif d'obturation électro-optique selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que le signal de tension possède une fréquence comprise en 0,5 Hz et 100 Hz.
11. 11. Utilisation de deux dispositifs d'obturation électro-optique selon l'une quelconque des revendications 5 à 10, pour la réalisation d'un masque ou une paire de 25 lunettes solaires à trois états.
12. 12. Utilisation d'un dispositif d'obturation électro-optique selon l'une quelconque des revendications 5 à 10, pour la réalisation d'un panneau à cristaux liquides à taux de transmission variable.
13. 13. Utilisation d'un dispositif d'obturation électro-optique selon l'une quelconque 30 des revendications 5 à 10, pour la réalisation d'un élément d'image (pixel) d'un écran à cristal liquide.