WO1991011747A1 - Dispositif optique bistable a cristaux liquides et commande electrochirale - Google Patents

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WO1991011747A1
WO1991011747A1 PCT/FR1991/000052 FR9100052W WO9111747A1 WO 1991011747 A1 WO1991011747 A1 WO 1991011747A1 FR 9100052 W FR9100052 W FR 9100052W WO 9111747 A1 WO9111747 A1 WO 9111747A1
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liquid crystal
pulses
plates
control signal
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Abdelhafidh Gharbi
Ricardo Barberi
Georges Durand
Philippe Martinot-Lagarde
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Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs)
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Definitions

  • the present invention relates to the field of liquid crystal optical devices.
  • the present invention was made at the Laboratory of Solid State Physics of the University of Paris Sud, laboratory associated with the NATIONAL CENTER FOR SCIENTIFIC RESEARCH number 04 0002.
  • the present invention relates more precisely to so-called bistable liquid crystal optical devices, that is to say devices in which the molecules of liquid crystals are capable of alternately occupying two stable states, under the effect of an external command. .
  • bistable optical devices lend themselves in particular to the production of multiplex displays.
  • Cheng et al describes for example a nematic liquid crystal device having two volume stable states switched by an external electric control field. The process described in this document has not been applied in practice. It has a very slow switching time and generally reveals many texture defects. Applied Physic Letters 36, 899 (1980), NA Clark et al describes another bistable optical device using crystals
  • the present invention now aims to provide a new bistable liquid crystal optical device having better performance than the prior art.
  • An important object of the present invention is to provide a bistable optical device with fast switching liquid crystal.
  • Another important object of the present invention is to provide a bistable liquid crystal optical device designed to be easily controlled by an external electric field.
  • Means capable of applying, to the device, electric field pulses perpendicular to the plates, oriented alternately in one direction then in the other.
  • the device comprises electrical supply means designed to apply successively to the device:
  • control pulse of lower amplitude than the control signal, and of polarity chosen according to the required final state.
  • the optical device in which the control electrodes are arranged in N rows and M columns defining a matrix of NM pixels at their intersections, is characterized in that the control signals are applied successively to the N row electrodes, while at the end of each control signal, control pulses of respectively chosen polarity are applied simultaneously to all of the M column electrodes.
  • the pulses necessary for multiplexing the liquid crystal device are thus much simpler than those used in the past, in particular for the multiplexing of ferroelectric smectics C *.
  • control signal can comprise two successive square pulses of opposite polarity or else comprise a series of high frequency pulses.
  • the amplitude of the control signal is between 1 and 100 volts, typically between 10 and 20 volts, while the duration of the control signal is greater than l ⁇ s, typically between 20 and 50 ⁇ s.
  • the amplitude of the control pulses is between 0.1 and 10 volts, typically between 0.1 and 5 volts, while the duration of the control pulses is greater than 10 ⁇ s, typically between 0.1 and 10 volts.
  • the start of the control pulses may coincide with the end of the control signal.
  • the start of the control printouts can precede the end of the control signal.
  • control pulses persist after the end of the control signal for at least 10 to 50 ⁇ s.
  • FIG. 1 represents a general schematic view of an optical device according to the present invention
  • FIG. 7 schematically represents an example of control signals and control signals in accordance with the present invention
  • FIG. 8 represents in table form, the various states obtained as a function of the control signals applied
  • FIG. 9 schematically represents a matrix display controlled by multiplexing in accordance with the present invention.
  • FIG. 10 represents a general schematic view of an alternative embodiment of an optical device according to the present invention.
  • FIG. 11 and FIG. 12 schematically represent two textures capable of being occupied by the liquid crystal molecules in the context of this variant
  • the known basic structure of the optical device used comprises, as shown diagrammatically in the appended FIG. 1, a cell 10 formed by two parallel transparent plates 12, 14, for example made of glass, separated by a shim of constant thickness (not shown in the figure 1) and between which is placed a liquid crystal material 20.
  • the plates 12, 14 are provided on their internal facing surfaces, adjacent to the liquid crystal, with electrically conductive and optically transparent electrodes. Such an electrode is shown diagrammatically in the form of a strip 18, for the plate 14, in FIG. 1.
  • the homologous electrode provided on the plate 12 is referenced 19.
  • Electrical supply means 30 are connected between the electrodes provided on the two plates 12, 14, to apply a controlled electric field to the liquid crystal material 20.
  • the optical device according to the present invention has three essential characteristics:
  • liquid crystal molecules are capable of alternately occupying at least two states
  • the power supply means 30 are coupled to the electrodes 18, 19 so as to apply to the device electric field pulses perpendicular to the plates, oriented alternately in one direction then in the other.
  • Bistability can have different origins.
  • the bistability may be due to a surface treatment of the plates 12, 14.
  • This surface treatment can be formed for example by the deposition of a polymer on the internal surfaces facing the plates 12, 14 followed by two rubs of the polymer inclined between them.
  • the surface treatment can be formed by controlling the roughness of the surface of the plates 12, 14 (controlling the thickness of the roughness and its average incidence or average wavelength) as taught in French patent application n ° 87 17660 published under the number 2624985.
  • the bistability may also be due to the properties of the liquid crystal; they may, for example, be non-ferroelectric Smectics C. Bistability can also be obtained by the combination of a surface treatment associated with the properties of the liquid crystal.
  • the liquid crystal 20 used in the context of the invention can be a nematic, a choesteric, a non-ferroelectric C smectic or a ferroelectric C smectic.
  • the sign of chirality is defined by the sign of the choiesteric helix obtained by dissolving the chirai ion in the nematic liquid crystal 5CB, as explained in document 3.
  • This document shows that one can shift the chiraiity in volume under the action of a continuous electric field but does not reveal the transient action on the surface on the bistable surfaces due to electric field pulses.
  • the chiral ions added to the liquid crystal can be formed from many known compounds having chiral properties. Among these compounds, there may be mentioned as examples:
  • the orientation of the liquid crystal molecules is controlled on the surface and not in volume, by application of the electric field pulses by the means 30.
  • the chiral ions In the absence of an electric field, the chiral ions, electrically compensated by their counterions, form a homogeneous and neutral whole in a liquid crystal cell 20 placed between the two plates 12, 14.
  • the liquid crystal material is a nematic, that a single type of chiral ion is used and that the plates 12 and 14 are treated to favor a planar anchoring, parallel to the electrodes, in a direction p
  • the nematic becomes a choiesteric, that is to say has a spontaneous twist.
  • this twist corresponds to a complete revolution of the azimuth (measured in the plane of the electrodes with respect to " p) for the thickness d between the plates 12, 14.
  • the angle ⁇ (d) is then a simple linear dependence as shown in solid lines in FIG. 2.
  • the chiral ions are entrained towards one of the electrodes, according to their polarity, where they accumulate over a thickness a "d.
  • T is typically equal to K / L where L is of the order of 5 S
  • r> T is expressed by the condition: K (2 ⁇ ) 2 / a> K / L i.e. a ⁇ (2 ⁇ ) 2 L or a r- L.
  • V> V s (d 2 / a 2 ) (K (2 ⁇ ) 2 / ⁇ ⁇ ) _. ( d 2 / ⁇ X)
  • the characteristic times of nematics or cholesterics are 1 ms for lengths o characteristic a of l ⁇ m.
  • a L ⁇ 0.1 ⁇ m (1000A)
  • V is thus of the order of V ⁇ (d 2 / ⁇ x) ⁇ V (10 ⁇ 8/10 ⁇ 5 ) 10 ⁇ 5 ⁇ »100 Volt
  • the threshold V is in principle independent of the concentration since it is linked only to the transport phenomenon.
  • the influence of the concentration of chiral ions is hidden in the initial angle of rotation of the cell (2 ⁇ in the example given here) which corresponds to a concentration C. chiral ion.
  • the ions are concentrated in a thickness a.
  • the step of the choiesteric in this region is a / x.
  • the density couple kx 2 / a 2 integrated into the thickness a gives a surf torque ace r> x 2 Tmax.
  • V C 0 (a / L).
  • the described principle of surface tilting controlled by electrical pulses allows rapid control of the state of a liquid crystal cell.
  • the information writing time will be compared to T (OlO ⁇ s).
  • the liquid crystal texture in volume follows the change in surface orientation with its own time ⁇ ", * ⁇ > ⁇ d 2 / K ( ⁇ r) 2 , longer than since d> L.
  • the cell behaves like an integrator of time constant adjustable by the thickness d.
  • a nematic liquid crystal can be doped with two kinds of chiral ions to achieve an electrically and mechanically neutral mixture.
  • ions can be obtained from a "bi-chiral" molecule (containing for example two asymmetric carbons) soluble in organic medium, easily dissociable, and of which the two ions and against ion (ie of opposite electrical polarities ), are each chiral and chirally opposite to each other (no screw on the left and no screw on the right).
  • a "bi-chiral" molecule containing for example two asymmetric carbons
  • organic medium easily dissociable
  • the two ions and against ion ie of opposite electrical polarities
  • the two electrodes 18 and 19 are treated to give two possible directions of molecular orientation p and p ′ parallel two by two from one plate to the other, and at 45 ° one of the other on the same plate.
  • the electric field E is zero.
  • the system is a nematic oriented uniformly in a first state along p. This state is stable.
  • the chiral ions are quickly moved against the electrodes, the positive ions to the cathode and the negative ions to the anode. They create couples of surface T of opposite signs with respect to each normal oriented to each respective surface since their chiralites are opposite, but of the same sign with respect to a common reference system. This sign corresponds to the easy rotation which brings p on p ', at 45 °.
  • a reverse torque is applied to the liquid crystal molecules, the system returns to the p state at the surface.
  • the final orientation state of the nematic in volume is the initial uniform p stable state.
  • the system is bistable. b) Waveguide mode.
  • Cells containing a dichroic dye whose absorption depends on the angle with the polarization of the light, can be controlled by surface rotation. d) Multi-mode operation.
  • multistable electrodes defined by anchoring directions " p, p ', p", etc.
  • a series of electric field pulses of the same sign will rotate the system from p to p 'then p ".
  • a series of electric field pulses of opposite sign will cause the system to return to p.
  • a first voltage pulse V makes it possible to pass from pa p '.
  • a second voltage pulse V of the same polarity allows to go from p 'to p ".
  • a voltage pulse of reverse polarity -V allows to go from p" to ⁇ p * '.
  • a second voltage pulse -V with the same polarity as the last pulse cited, makes it possible to go from p 1 to p.
  • the electrical sign is chosen so that the ions are transported by the display field towards the electrode which does not turn over, for example towards the electrode which remains in the state p during a desired tilting from pp to p'p '.
  • the direction of chirality is also chosen so that the surface torque transmitted on the defective electrode changes from p to p' in the easy direction to 45 °.
  • the concentration of chiral ion is adjusted so that the polar effect disappears.
  • NON-FERROELECTRIC C BISTABLE SMECTIC DISPLAYS The bistability of the display in two states as proposed by Lagerwaal and Ckark with ferroelectric Cs in Applied Physics Letters 36, 899, (1980) is also a potential property of non-ferroelectric C smectics. The problem with these smectics is however that so far we did not know how to control them electrically to pass from one state to another.
  • 5CB ambient nemati ⁇
  • BBQ benzyl quininium bromide
  • APL phenyl lactic acid
  • the concentrations of BBQ and APL were 0.5% and 1.8% respectively.
  • the cell had a thickness of 6 ⁇ m, in waveguide mode having a bistable surface and a monostable surface.
  • the bistable surface was obtained by an evaporation of SiO near the transition region, as indicated in the document Monkade, Boix, Durand, Europhysics Letters, 5, 697 (1988) in one case and by two evaporations crossed SiO at 45 ° in another case.
  • the second monostable orientation was obtained conventionally by evaporation of thick SiO at 60 °.
  • the electrodes were conventional ITO on glass. (Baitracon de Balzens). Before the application of an electric field, the cell showed two kinds of domains confirming the existence of two possible surface states on the bistable electrode.
  • the inventors observed a surface tilt threshold from one bistable state to another, for square pulses of 100V and 40 ⁇ s. The sample then becomes homogeneous, showing the surface orientation selected by the polarity of the last control pulse.
  • the light establishment time (i.e. the volume rotation time ⁇ ) is much longer than the time x 40 ⁇ s). It is worth around 50ms, typical time of diffusion of the orientation of
  • the inventors also produced a symmetrical cell made of the same mixture of 5 CB + BBQ +
  • This curve shows that V decreases slightly when x increases, from 120V at 30 ⁇ s to 80V at 300 ⁇ s, as expected.
  • the contrast between crossed polarizers is strong ( ⁇ _> 20) without being optimized.
  • the time for establishment of light through the cell was Torde of 50 ms, as in the 1st experiment.
  • 5CB which is a dielectrically positive body, tending to align itself along the applied electric field.
  • This orientation is used secondarily in the display, to help cross the potential barrier of the surface orientations, weaker for an oblique (or hometotropic) orientation than planar.
  • the integration time of the nematic volume can be chosen longer, by adjusting the thickness or the material; it must be compared to the image time r 40ms.
  • the system potentially allows the creation of high definition multiplex video matrix displays.
  • liquid crystal optical device comprising chiral ions dissolved in the liquid crystal material and electrical supply means capable of applying to the device electric field pulses perpendicular to the plates.
  • the device more precisely comprises two kinds of chiral ions chirally opposed to each other (no screw on the left and no screw on the right).
  • a voltage pulse is applied between the electrodes of the device, and therefore an electric field is applied perpendicular to the plates, the chiral ions are moved against the electrodes, the positive ions towards the cathode and the negative ions towards the anode .
  • the chiralites of these chiral ions are of opposite signs with respect to each normal oriented to each respective surface since their chiralites are opposite, but of the same sign with respect to a common reference system.
  • a voltage pulse of given polarity thus makes it possible to pass the liquid crystal from a first stable state into a second stable state.
  • a voltage pulse of opposite polarity makes it possible to pass the liquid crystal inversely from the second stable state to the first stable state.
  • control signal which generates an electric field normal to the plates, defines a homogeneous, homeotropic orientation, by coupling with the molecules of a crystal material with positive dielectric anisotropy.
  • Figure 7 An example of successive command and control signals according to the present invention is shown in Figure 7 attached.
  • the control signal Ca is applied at time 1 and ends at time 2. It lasts time x.
  • the control signal Ca is formed by a succession of pulses of opposite polarities (two pulses Cal and Ca2 according to FIG. 7) having the function of breaking the anchoring of the liquid crystal molecules on the plates and of defining a substantially homogeneous texture.
  • liquid crystal preferably homeotropic, while retaining a substantially homogeneous distribution of chiral ions in the cell.
  • the control signal must therefore have an amplitude V which exceeds a threshold V as a function of the time x of application, that is to say
  • the amplitude of the control signal Ca is preferably between 1 and 100 volts, typically 10 and 20 volts.
  • control signal Ca is advantageously greater than 1 ⁇ s, typically between 20 and 50 ⁇ s.
  • the control signal Ca can be a high frequency signal.
  • the control signal Ca is followed by a pulse Co, called a control pulse, of amplitude _ + v, less than V s (X).
  • of the Co control pulse may be weak. In practice, one can take 0.1 volts ⁇ v ⁇ 10 volts, typically 0.1 volts ⁇ v ⁇ 5 volts.
  • the Co control pulse is maintained between times 2 and
  • the control pulse Co makes it possible to control the polarity of the field in the cell between instants 2 and 3 where the system will switch from the homogeneous homeotropic orientation obtained by the control signal Ca of amplitude V at time 2, towards one of the states A or B.
  • the Co control pulse makes it possible, depending on its polarity, to attract a first type or second type of chiral ions to a first plate and vice versa for the second.
  • a positive control pulse Co causes the switching from A to B and a negative control pulse Co causes the switching from B to A.
  • control signal Ca of amplitude V breaks the surface orientation
  • control pulse Co controls by its sign the final state A or B.
  • the switching table obtained is given in FIG. 8 where we have assumed . V. ⁇ V (x).
  • a matrix display comprising N row electrodes referenced 18-1 to 18-N on a first plate and M column electrodes referenced 19-1 to 19-M on the second plate.
  • Each pixel defined by the intersection of a row electrode and a column electrode is identified by its coordinates i, j.
  • the multiplexing method according to the present invention is as follows.
  • Each line 18-1 to 18-N, for example line i, is successively opened by exciting it with a control signal Ca of amplitude V (V
  • the whole line i is erased, the molecules of the liquid crystal take on a homeotropic orientation.
  • control pulses Co of amplitude _ + v are sent in parallel on all the columns M simultaneously, according to the desired state of the different pixels, i, j (1 j M) of the line i.
  • the control pulses Co of amplitude + _ v are applied just at the end of the control signal Ca of amplitude V.
  • the pixels i, j (1 j ⁇ ) of this line are then placed in states A or B, following the sign of the small control pulse v.
  • the Co control pulse persists 10 to 50 ⁇ s after the end of the Ca control signal.
  • line i we will successively open lines i + 1, i + 2, etc., which will be erased and rewritten, to draw the new image.
  • Each line is therefore successively erased, by a control signal Ca of amplitude V during time x, and rewritten by a control pulse Co of amplitude v during time x 'which follows x.
  • the total time to erase and write a line is therefore, according to the aforementioned process: ⁇ + ⁇ ', adjustable by varying the control signal Ca and the control pulse Co.
  • the total time to erase and write a complete image is then N (x + ⁇ ').
  • bistable display system described above can be multiplexed very simply by the means proposed by the present invention.
  • each line electrode is sequentially excited by an AC control signal of amplitude V between 1 and 100 volts, typically 10 and 20 volts of duration greater than 1 ⁇ s, typically between 20 and 50 ⁇ s, which breaks surface orientation and erases the line.
  • the final state of the pixels only depends on the polarity of the control pulse Co.
  • a new bistable nematic liquid crystal display device has previously been described, using two distinct surface orientation states p and p 'on each electrode, that is to say two non-aligned anchors.
  • the switching between these two states is controlled by an electric field pulse which first breaks the surface anchoring, above a threshold value.
  • the undoped liquid crystal returns at random to one or the other of the two surface states.
  • the degeneration is lifted, the nematic, returning to equilibrium, takes a surface orientation turned from p to p 'with the ion of chirality 0 and from p' to p with l 'ion of chiraiity ⁇ 0.
  • the sign of chiralites is linked to the sign of the electric charges of the ions, and therefore to the direction (sign) of the electric field.
  • the inventors also propose another variant of the device, similar to the previous one, with regard to bistability, the use of a nematic, its doping with chiral ion and the breaking of surface orientations, using an anisotropy nematic. positive dielectric.
  • this variant of the device differs from the previous one, by the fact that it uses simple and not double nematic anchors, but of different strength on the two electrodes. These anchors define two bistable textures in volume, but of different twist. The switching between these two textures is produced by a rotation of 180 ° on a single electrode, by the electrochiral mechanism already described.
  • the detection of the optical contrast required for the display is made by using, as the case may be, the rotary power, the ellipticity or the reflection of light.
  • the device represented in FIG. 10 comprises a liquid crystal cell 10, doped with chiral ions, and a nonionic choiesteric substance, for possibly adjusting a spontaneous twist of the textures, (see below).
  • the electrodes 18, 19 are produced on glass slides 12, 14 treated with ITO, so as to be conductive and transparent.
  • the surfaces of the electrodes 18, 19 are treated to obtain a single planar (molecules in the plane of the electrodes) or quasi-planar orientation (oblique molecules, but with projection F defined in the plane). This can be achieved for example by oblique evaporation of SiO, according to a conventional process. It is thus possible to use other methods, for example a rubbed polymer.
  • the treatment on the surface of the electrodes must be adapted to obtain a strong planar anchoring on one of the two electrodes 18, 19 (it will be little sensitive to the electric field) and a weaker anchoring on the other electrode (which will be the most sensitive to the electric field). These two almost planar orientations are preferably parallel to each other.
  • the inventors carried out tests with a nematic formed of 5CB (pentylcyanobiphenyl) which has a positive dielectric anisotropy and which is therefore oriented along the applied field E.
  • the doping in chiral ions consisted of a mixture of 0.21% by mass of phenyl lactic acid and 0.04% by mass of Benzyl quininium bromide.
  • the difference between the textures "u” and “t” can be observed by the appearance, in the twisted texture "t", of rotary power and ellipticity for the transmitted light, properties which do not exist for the texture not twisted "u”. This ellipticity and this power are described below.
  • the cell is then placed between crossed linear polarizers parallel and perpendicular to the planar direction F.
  • the pitch is of the order of magnitude of the optical wavelengths ⁇ , (very thin cell, or ⁇ large (infrared) on can also detect rotation by a total Bragg reflection of circularly polarized light in the texture "t".
  • Polarized light is sent to the cell in the direction F of planar orientation of the input face, either the strong or weak anchor face.
  • the light is elliptically polarized (figure 13).
  • the major axis of the ellipse has turned by an angle B.
  • the ellipticity is defined by the angle X of the diagonal of the rectangle which circumscribes the ellipse.
  • This device has on each electrode surface a single planar anchor, instead of two separate anchors, and comprises a spontaneously twisted nematic liquid crystal (therefore "choiesteric").
  • This liquid crystal cell has two bistable textures (of the same energy), one uniform "u”, the other "t", twisted by half a turn.
  • the sign of the twisted twisted texture "t" compared to "u” is controlled by the sign of the spontaneous twist of the choiesteric.
  • the simple planar anchors on the two surfaces are chosen with different energies.

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Abstract

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

Description

DISPOSITIF OPTIQUE BISTABLE A CRISTAUX LIQUIDES ET COMMANDE ELECTROCHIRALE
La présente invention concerne le domaine des dispositifs optiques à cristaux liquides. La présente invention a été faite au Laboratoire de Physique des Solides de l'Université de Paris Sud, laboratoire associé au CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE numéro 04 0002.
De nombreux travaux de recherche ont été conduits depuis au moins une quinzaine d'années sur les cristaux liquides. Différents résultats des travaux de recherche effectués au
Laboratoire de Physique des Solides de l'Université Paris Sud sont décrits dans la demande de brevet français déposée le 28 Avril 1982 sous le n° 82 07309 et publiée sous le n° 2526177, la demande de brevet français déposée le 23 Octobre 198 sous le n° 8 16192 et publiée sous le n° 2572210, la demande de brevet français déposée le 18 Juin 1985 sous le n° 85 09224 et publiée sous le n° 2587506, la demande de brevet français déposée le 14 Mai 1986 sous le n° 86 06916 et publiée sous le n° 2598827 ou encore la demande de brevet français déposée le 17 Décembre 1987 sous le n° 87 17660 et publiée sous le n° 2624985. Par ailleurs, les travaux relatifs aux cristaux liquides ont donné lieu à de nombreuses publications.
La présente invention concerne plus précisément les dispositifs optiques à cristaux liquides dits bistables, c'est-à-dire les dispositifs dans lesquels les molécules des cristaux liquides sont susceptibles d'occuper alternativement deux états stables, sous l'effet d'une commande externe. De tels dispositifs optiques bistables se prêtent en particulier à la réalisation d'afficheurs multiplexes.
Différents dispositifs optiques bistables à cristaux liquides ont déjà été proposés. Le document Applied Physic Letters 40 (12) 1007 (1982) _J.
Cheng et al décrit par exemple un dispositif à cristaux liquides nématiques présentant deux états stables en volume commutés par un champ électrique externe de commande. Le processus décrit dans ce document n'a pas donné lieu à application pratique. Il présente un temps de commutation très lent et révèle généralement de nombreux défauts de texture. Le document Applied Physic Letters 36, 899 (1980), N.A. Clark et al décrit un autre dispositif optique bistable utilisant des cristaux
* liqujides dits Smectiques C ferroelectriques, et des ancrages de surface dégénérés. Le processus décrit dans ce document présente l'avantage d'un temps de commutation très court et a donné lieu à des applications pratiques. Il ne donne cependant pas totalement satisfaction.
En particulier, dans la pratique, on constate fréquemment qu'au lieu d'un affichage bistable entre deux états symétriques, on obtient des affichages monostables sur des textures tordues dont le contraste est mauvais et qui ne peuvent être multiplexes. Ce phénomène semble dû au fait que l'interface électrode/cristal liquide est polaire.
Le document Applied Physic Letters I I Décembre 1989, R. Barberi, M. Boix et G. Durand décrit un autre dispositif optique bistable dans lequel la bistabilité est induite par un traitement rugueux contrôlé sur l'une au moins des électrodes transparentes et la commutation est opérée par application d'un champ électrique externe parallèle aux électrodes. Selon ce document, le traitement rugueux peut être obtenu par exemple par évaporation oblique de SiO. Ce document Applied Physic Letters est à rapprocher de la demande brevet français n° 87 17660 précitée. Le processus décrit dans le document Applied Physic Letters 11 Décembre 1989 semble prometteur. Il présente cependant l'inconvénient majeur de n'être sensible qu'à un champ électrique parallèle aux plaques transparen¬ tes du dispositif et d'être totalement insensible à un champ électrique perpendiculaire aux plaques. La présente invention a maintenant pour but de proposer un nouveau dispositif optique bistable à cristaux liquides présentant de meilleures performances que la technique antérieure.
Un but important de la présente invention est de proposer un dispositif optique bistable à cristaux liquides à commutation rapide. Un autre but important de la présente invention est de proposer un dispositif optique bistable à cristaux liquides conçu pour être commandé aisément par un champ électrique externe. Ces buts sont atteints selon la présente invention grâce à un dispositif optique à cristaux liquides à effet bistable du type comprenant deux plaques transparentes pourvues d'électrodes de commande et entre lesquelles est placé un matériau cristal liquide dont les molécules sont susceptibles d'occuper alternativement deux états stables, caractérisé par le fait que :
- des ions chiraux sont dissous dans le matériau cristal liquide, et
- il est prévu des moyens aptes à appliquer, au dispositif, des impulsions de champ électrique perpendiculaire aux plaques, orienté alternativement dans un sens puis dans l'autre.
L'application alternée d'impulsions de champ électrique normal aux plaques, orienté dans un sens puis dans l'autre, permet de commuter la structure du cristal liquide entre les différents états stables.
L'effet du couplage entre les ions chiraux et le champ électrique sera précisé dans la suite de la description.
Selon une autre caractéristique avantageuse de la présente invention, le dispositif comprend des moyens d'alimentation électrique conçus pour appliquer successivement au dispositif :
- un signal de commande apte à casser l'ancrage du cristal liquide sur les plaques et à induire une orientation généralement homogène du cristal liquide, puis
- une impulsion de contrôle, d'amplitude plus faible que le signal de commande, et de polarité choisie selon l'état final requis.
Les perfectionnements ainsi proposés permettent notamment une commande simple par multiplexage d'un afficheur bistable.
Pour cela, selon une caractéristique avantageuse de la présente invention, le dispositif optique, dans lequel les électrodes de commande sont agencées en N lignes et M colonnes définissant une matrice de NM pixels à leurs intersections, est caractérisé par le fait que les signaux de commande sont appliqués successivement sur les N électrodes de ligne, tandis qu'à la fin de chaque signal de commande, des impulsions de contrôle de polarité respectivement choisie, sont appliquées simultanément sur l'ensemble des M électrodes de colonne. Les impulsions nécessaires au multiplexage du dispositif à cristal liquide sont ainsi beaucoup plus simples que celles utilisées par le passé, notamment pour le multiplexage des smectiques ferroélectriques C*.
Des exemples de signaux de commande jusqu'ici proposés pour les smectiques ferroélectriques C* sont décrits dans les documents suivants
: 1) J.M. Geary, Proceedings of SID'85, pp. 128-130 (1985), 2) S.T.
Lagerwall, J. Wahi and N.A. Clark, Proceedings of International Display
Research Conférence, Ferroelectric Liquid Crystals for Displays, pp.
213-220 (1985), 3) S. Shimoda, K. Ito, T. Harada, M. Taguchi, K. Iwara, M. Kai, Proceedings of Japan Display'86, pp. 460-462 (1986).
Selon la présente invention, le signal de commande peut comprendre deux impulsions carré successives de polarité opposées ou encore comprendre une série d'impulsions haute fréquence.
Selon une autre caractéristique avantageuse de la présente invention, l'amplitude du signal de commande est comprise entre 1 et 100 volts, typiquement entre 10 et 20 volts, tandis que la durée du signal de commande est supérieure à l μs, typiquement comprise entre 20 et 50 μs.
Selon une autre caractéristique avantageuse de la présente invention, l'amplitude des impulsions de contrôle est comprise entre 0,1 et 10 volts, typiquement entre 0,1 et 5 volts, tandis que la durée des impulsions de contrôle est supérieure à 10 μs, typiquement comprise entre
25 et 50 μs.
Le début des impulsions de contrôle peut coïncider avec la fin du signal de commande. En variante, le début des impuisions de contrôle peut précéder la fin du signal de commande.
Il est important que les impulsions de contrôle persistent après la fin du signal de commande pendant au moins 10 à 50 μs.
D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et en regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels : - la figure 1 représente une vue schématique générale d'un dispositif optique conforme à la présente invention,
- les figures 2, 3 et 4 représentent différents diagrammes et courbes illustrant le fonctionnement de ce dispositif, - la figure 5 représente schématiquement l'application du dispositif au cas d'un afficheur nématique bistable,
- la figure 6 représente une courbe V ( τ) relevée sur ce même dispositif.
- la figure 7 représente schématiquement un exemple de signaux de commande et de signaux de contrôle conformes à la présente invention, - la figure 8 représente sous forme de tableau, les différents états obenus en fonction des signaux de contrôle appliqués,
- la figure 9 représente schématiquement un afficheur matriciel commandé par multiplexage conformément à la présente invention,
- la figure 10 représente une vue schématique générale d'une variante de réalisation d'un dispositif optique conforme à la présente invention,
- la figure 1 1 et la figure 12 représentent schématiquement deux textures susceptibles d'être occupées par les molécules de cristal liquide dans le cadre de cette variante,
- la figure 13 illustre la polarisation de la lumière, et - les figures 14 et 15 représentent deux courbes B(p) et X(p) relatives à cette polarisation. STRUCTURE DU DISPOSITIF
La structure de base connue du dispositif optique utilisé comprend comme représenté schématiquement sur la figure 1 annexée une cellule 10 formée de deux plaques transparentes parallèles 12, 14, par exemple en verre, séparées par une cale d'épaisseur constante (non représentée sur la figure 1 ) et entre lesquelles est placé un matériau cristal liquide 20.
Les plaques 12, 14 sont pourvues sur leurs surfaces internes en regard, adjacentes au cristal liquide, d'électrodes électriquement conduc¬ trices et optiquement transparentes. Une telle électrode est représentée schématiquement sous forme d'une bande 18, pour la plaque 14, sur la figure 1. L'électrode homologue prévue sur la plaque 12 est référencée 19. Des moyens d'alimentation électrique 30 sont reliés entre les électrodes prévues sur les deux plaques 12, 14, pour appliquer un champ électrique contrôlé sur le matériau cristal liquide 20. CARACTERISTIQUES DE L'INVENTION
Plus précisément, le dispositif optique conforme à la présente invention présente trois caractéristiques essentielles :
- il possède une bistabilité, c'est-à-dire que les molécules de cristal liquide sont susceptibles d'occuper alternativement au moins deux états,
- des ions chiraux sont dissous dans le matériau cristal liquide, et
- les moyens d'alimentation électrique 30 sont couplés aux électrodes 18, 19 de manière à appliquer au dispositif des impulsions de champ électrique perpendiculaire aux plaques, orienté alternativement dans un sens puis dans l'autre.
La bistabilité peut avoir différentes origines. La bistabilité peut être due à un traitement de surface des plaques 12, 14.
Ce traitement de surface peut être formé par exemple du dépôt d'un polymère sur les surfaces internes en regard des plaques 12, 14 suivi de deux frottements du polymère inclinés entre eux.
Le traitement de surface peut être formé par contrôle de la rugosité de la surface des plaques 12, 14 (contrôle de l'épaisseur de la rugosité et de son incidence moyenne ou longueur d'onde moyenne) comme enseigné dans la demande de brevet français n° 87 17660 publiée sous le n° 2624985.
La bistabilité peut encore être due aux propriétés du cristal liquide ; il peut s'agir par exemple de Smectiques C non ferroélectriques. La bistabilité peut également être obtenue par la combinaison d'un traitement de surface associée aux propriétés du cristal liquide.
Des exemples sont donnés par la suite pour illustrer ces diverses variantes.
Le cristal liquide 20 utilisé dans le cadre de l'invention peut être un nématique, un choiestérique, un smectique C non ferroélectrique ou un smectique C ferroélectrique.
Dans le cadre de la présente demande le signe de la chiralité est défini par le signe de l'hélice choiestérique obtenue en dissolvant l'ion chirai dans le cristal liquide nématique 5CB, comme expliqué dans le document 3. Phys. (France) 50, 1099 (1989). Ce document montre que l'on peut déplacer la chiraiité en volume sous l'action d'un champ électrique continu mais ne révèle pas l'action transitoire en surface sur les surfaces bistables dues à des impulsions de champ électrique. Les ions chiraux ajoutés au cristal liquide peuvent être formés de nombreux composés connus présentant des propriétés chirales. Parmi ces composés on citera à titre d'exemples :
- les composés suivants ayant des propriétés chirales de signe positif (chiraiité vis française) : . bromure de benzyl quininium (BBQ)
. chlorure de benzyl quininium (CBQ) . chlorhydrate d'ester éthylique d'aianine
- les composés suivants ayant des propriétés chirales de signe négatif (chiraiité vis anglaise) : . acide phényllactique
. phenyllactate de potassium FONCTIONNEMENT
La commande de l'orientation des molécules de cristaux liquides se fait en surface et non en volume, par application des impulsions de champ électrique par les moyens 30.
Le principe de l'action des ions chiraux sur la surface est le suivant.
En l'absence de champ électrique, les ions chiraux, compensés électriquement par leurs contre-ions, forment un ensemble homogène et neutre dans une cellule cristal liquide 20 placée entre les deux plaques 12, 14.
Supposons que le matériau cristal liquide soit un nématique, qu'on utilise un seul type d'ion chiral et que, les plaques 12 et 14 soient traitées pour favoriser un ancrage planaire, parallèle aux électrodes, dans une direction p La chiraiité étant répartie, le nématique devient un choiestérique, c'est-à-dire possède une torsion spontanée. Supposons que cette torsion corresponde à un tour complet de l'azimut (mesuré dans le plan des électrodes par rapport à "p ) pour l'épaisseur d entre les plaques 12, 14.
L'angle φ (d) est alors une simple dépendence linéaire comme représenté en trait plein sur la figure 2. Lorsque le champ électrique est appliqué par les moyens 30, les ions chiraux sont entraînés vers l'une des électrodes, selon leur polarité, où ils s'accumulent sur une épaisseur a«d.
A l'équilibre la torsion 2 π = 360° est alors concentrée au voisinage d'une électrode, sur l'épaisseur a qui devient le pas du choiestérique concentré. Aucun couple n'est transmis aux plaques lorsque la région choiestérique (0, a) et la région suivante nématique (a, d) sont dans leur état d'équilibre.
Cependant, si le transport des ions est assez rapide, on obtient une situation transitoire hors d'équilibre où l'angle du choiestérique reste φ 0 << 2 τr (fig. 2) au lieu de 2 T. , à la jonction des deux régions. Le choiestérique commence à se former près des plaques, avec un pas très court a. Il transmet alors à la plaque adjacente et au cristal liquide dans le volume, des couples de torsion égaux et opposés, d'amplitude r /cm2 = ( (2 τr )2/a2)xa = (K(2 π )2 /a) (K~10"6cgs est la constante de courbure du nématique).
Le signe de ce couple est celui de l'hélice choiestérique, définit par le signe de la chiraiité de l'ion. Il peut être choisi chimique¬ ment. Sur la plaque considérée, ce couple tend à faire tourner les molécules, à plat, pour les faire sortir de leur direction d'ancrage p. Sur le volume du cristal liquide, il sert à détordre le choiestérique initial en faisant passer son azimut de Φ_ à 2 ^ . Ce couple va durer le temps x de formation de l'hélice choiestérique de pas a, défini par : ( 1/ )=(K(2 TΓ ) /a η où η ~* 0,1 poise est une viscosité typique. évolue donc dans le temps suivant la courbe typique de la figure 3.
Pour sortir les molécules de surface de leur direction
-_» -> d'ancrage p, et les faire tourner jusqu'à une autre direction d'ancrage p', il faut franchir une barrière de potentiel de surface, caractérisée par un couple de surface r . T est typiquement égal à K/L où L est de l'ordre de 5 S
1000A pour un ancrage fort et Iμm pour un ancrage faible. Si la condition " s^ est réalisée pendant le temps qu'il faut pour que la surface se torde, les molécules passent en surface de la direction p a la direction p'. On notera qu'il convient de choisir le bon signe de chiraiité des ions pour que
-. -_> le sens du couple fasse tourner de p vers p' dans le sens de l'angle le plus faible < π /2 = 90° (figure 4).
La relation r > T se traduit par la condition : K(2 π )2/a > K/L c'est-à-dire a < (2 π )2L ou a r- L.
Il faut accumuler les ions en pratique sur une couche o d'épaisseur typique 1000 à 10000A. Ceci est assez facile a réaliser, puisque les ions vont s'accumuler près des électrodes pour former une bicouche de
Helmolz de quelques molécules d'épaisseur. Le temps de commutation de la
2 surface x défini par ( 1 / x ) r -> (K/L η ) est de l'ordre du temps de formation du choiestérique puisque L ru a. La condition temporelle pour obtenir le couple précité implique seulement que les ions soient amenés dans la couche de surface pendant un temps de transport assez court τ ,< τ .
Le temps de transport est simplement lié à la mobilité μ des ions, dans le champ E = V/d (V est le potentiel électrique appliqué entre les deux électrodes 18, 19). Par définition, la vitesse des ions v est égale à v = μE = μ(V/d) τ . est donc défini par : x d = (d2/μV) La condition temporelle à respecter est alors
(d2/μV) < (a2 η /K(2 TΓ )2) qui correspond à un seuil en tension
V > Vs = (d2/a2)(K(2 π )2/μ η ) _. (d 2/μ X )
Avec les ordres de grandeur cités, les temps caractéristiques des nematiques ou des cholesteriques sont de 1 ms pour des longueurs o caractéristiques a de l μm. Pour a = L ^ 0,1 μm (1000A), on obtient x o l Oμs
( f varie comme le carré des longueurs). Les valeurs typiques de μ sont de l'ordre de 10~ cm2/Vs. Pour une cellule d'épaisseur l μ, V est ainsi de l'ordre de V <^ (d2/μ x ) <V ( 10~8/10~5) 10~5 ~» 100 Volt
En fait, avec l'incertitude des données, on a 10 Volt < V < l OOOVolt En conclusion, si on applique une impulsion de tension de l'ordre de 10 à lOOOV/μm, typiquement de lOOV/μm pendant un temps de l'ordre de 10 μs ou plus, par exemple de lOOμs, sur une cellule de cristal liquide nématique contenant un ion chiral, on produit pendant ce temps transitoire un couple de torsion sur la surface de l'électrode qui est capable de casser l'ancrage d'orientation le plus fort réalisable actuellement connu des inventeurs.
Le seuil V est en principe indépendant de la concentration puisqu'il est lié seulement au phénomène de transport. L'influence de la concentration des ions chiraux est cachée dans l'angle initial de rotation de la cellule (2 πdans l'exemple donné ici) qui correspond à une concentration C . d'ion chiral. Une plus forte concentration C = xCn va donner des rotations x fois plus grandes, donc un pas x fois plus petit. Les ions sont concentrés dans une épaisseur a. Le pas du choiestérique dans cette région est a/x. Le couple choiestérique de densité kx2/a2 intégré dans l'épaisseur a donne un couple de surf ace r > x2 Tmax. La relation r^ T donne maintenant a x2 L. Si a est fixé on en déduit une concentration minimale Cm =
C 0 (a/L) . En pratique, si les ions sont uniformément distribués au départ, V va baisser en montant la concentration car on pourra n'utiliser que les ions les plus proches de l'électrode.
Le principe décrit du basculement de surface commandé par impulsions électriques permet un contrôle rapide de l'état d'une cellule à cristal liquide. Le temps d'inscription de l'information va se comparer à T (OlOμs). La texture cristal liquide en volume suit le changement d'orientation de surface avec son temps propre τ«, *^> ηd2/K(τr)2, plus long que puisque d > L.
La cellule se comporte comme un intégrateur de constante de temps ajustable par l'épaisseur d. EXEMPLES D'APPLICATIONS 1 ) AFFICHEUR NEMATIQUE BISTABLE a) Mode de biréfringence. On peut doper un cristal liquide nématique avec deux sortes d'ions chiraux pour réaliser un mélange neutre électriquement et mécaniquement.
Ces deux sortes d'ions peuvent être obtenus à partir d'une molécule "bi-chirale" (contenant par exemple deux carbones asymétriques) soluble en milieu organique, facilement dissociable, et dont les deux ion et contre ion (ie de polarités électriques opposées), sont chacun chiraux et chiralement opposés l'un à l'autre (pas de vis à gauche et pas de vis à droite). On peut obtenir plus simplement les deux sortes d'ions chiraux en prenant deux molécules organiques donnant chacune des ions dont un au moins est chiral, avec des signes électriques et de chiraiité opposés.
Comme représenté sur la figure 5, les deux électrodes 18 et 19 sont traitées pour donner deux directions d'orientation moléculaire possibles p et p' parallèles deux à deux d'une plaque à l'autre, et à 45° l'une de l'autre sur une même plaque.
Initialement, le champ électrique E est nul. Le système est un nématique orienté uniformément dans un premier état le long de p. Cet état est stable. Lorsqu'une impulsion de tension est appliquée entre les électrodes 18, 19 et donc qu'un champ électrique est appliqué sur la cellule, les ions chiraux sont rapidement déplacés contre les électrodes, les ions positifs ves la cathode et les ions négatifs vers l'anode. Ils créent des couples de surface T de signes opposés par rapport à chaque normale orientée à chaque surface respective puisque leurs chiralites sont opposées, mais de même signe par rapport à un système de repère commun. Ce signe correspond à la rotation facile qui amène p sur p', à 45°. Si V est suffisant et appliqué assez vite, les deux orientations de surface vont basculer de p en p' en synchronisme, en un temps très court de l'ordre de 10 μs. Le reste du volume va suivre en un temps τ N lié à l'épaisseur de l'ordre de 10 sec.
La cellule placée entre polariseurs croisés parallèles et perpendiculaire
-_* respectivement à p, passe de l'état noir (éteint) à l'état transparent, si l'on a choisi l'épaisseur d pour que la différence de chemin optique entre les deux polarisations ordinaire et extraordinaire soit de l'ordre de λ /2, comme pour les afficheurs à smectiques C* classiques. Cette condition est facile à remplir puisque d = lμm, la biréfringence Δ n = 0,3 donne l ^ 0,3μm rv λ /2. L'état final d'orientation uniforme en volume du nématique dans l'état p est stable.
En appliquant une impulsion de tension de polarité inverse V les ions chiraux se déplacent respectivement près de l'autre électrode.
Un couple inverse est appliqué sur les molécules de cristal liquide, le système revient dans l'état p en surface. L'état final d'orientation du nématique en volume est l'état initial uniforme p stable.
Le système est bistable. b) Mode guide d'onde.
On peut aussi utiliser la rotation des molécules en surface pour exciter un mode guide d'onde, entre les états p et p'. L'épaisseur de la cellule est choisie plus grande que λ, pour réaliser la condition classique de Mauguin d>λΔn. c) Mode d'absorption.
On peut commander par la rotation de surface, des cellules contenant un colorant dichroîque, dont l'absorption dépent de l'angle avec la polarisation de la lumière. d) Fonctionnement muitimodes.
Dans la description qui précède, il est proposé d'utiliser l'effet de torsion des ions chiraux, en champ électrique, sur des électrodes bistables.
Dans le cadre de l'invention, on peut également préparer des électrodes multistables, définies par des directions d'ancrage "p, p', p", etc.
Une série d'impulsions de champ électrique de même signe va faire tourner le système de p vers p' puis p". Une série d'impulsions de champ électrique de signe opposé va faire revenir le système en p.
Pour passer par toutes les orientations possibles p, p', p", etc ..., il faut appliquer au dispositif un nombre d'impulsions égal au nombre de sauts possibles entre deux orientations adjacentes. Ainsi dans le cas d'électrodes tristables définies par trois directions d'orientation - p*, → p' et " p_*", deux impulsions permettent de passer successivement par les trois orientations possibles, Une première impulsion de tension V permet de passer de p a p'. Une deuxième impulsion de tension V de même polarité permet de passer de p' à p". Une impulsion de tension de polarité inerse -V permet de passer de p" à~p*'. Une deuxième impulsion de tension -V, de même polarité que l'impulsion dernière citée permet de passer de p1 à p.
On peut ainsi réaliser des teintes de gris en étalant convenablement les directions "p," " ', p" sur la courbe de transmission de la lame 1 /2 onde constituée par le cristal liquide. 2) AFFICHEUR SMECTIQUE C* BISTABLE VRAI
Les afficheurs a base de smectiques C ferroélectriques sont bien connus de l'homme de l'art. Certains afficheurs à smectique C ferroélectrique fonction¬ nent cependant mal, car au lieu de commuter entre deux états "p*, p' de façon uniforme, une des deux surfaces, polaire, préfère garder sa polarisation électrique vers le cristal liquide et ne se retourne pas. Ceci ajoute aux états uniformes et désirés " p* et Ip'p1, les états tordus et non désirés pp1 ou " 'p. Pour les supprimer, les inventeurs proposent dans le cadre de l'invention de mélanger au smectique C une petite quantité d'ion chiral de signe convenable. Le signe électrique est choisi pour que les ions soient transportés par le champ d'affichage vers l'électrode qui ne se retourne pas, par exemple vers l'électrode qui reste dans l'état p au cours d'un basculement désiré de pp vers p'p'. Le sens de la chiraiité est lui aussi choisi pour que le couple de surface transmis sur l'électrode défectueuse fasse passer de p à p' par la direction facile à 45°. La concentration d'ion chiral est ajustée pour que l'effet polaire disparaisse. Par symétrie, on peut aussi retourner l'autre électrode qui reste en p' au lieu de revenir en p, avec les mêmes ions, qui se rassemblent maintenant à son voisinage, puisque l'impulsion électrique de contrôle a changé de signe. Le système est alors absolument bistable, les états tordus étant éliminés dynamique¬ ment. 3) AFFICHEURS BISTABLES SMECTIQUES C NON FERROELECTRIQUES La bistabilité de l'affichage dans deux états comme proposé par Lagerwaal et Ckark avec les C ferroélectriques dans Applied Physics Letters 36, 899,(1980) est aussi une propriété potentielle des smectiques C non ferroélectriques. Le problème avec ces smectiques est cependant que jusqu'ici on ne savait pas comment les commander électriquement pour passer d'un état à l'autre.
Dans le cadre de l'invention, il est proposé de mélanger au smectique C ordinaire non ferroélectrique le mélange d'ions chiraux neutre (électrique et chiral) décrit précédemment pour le nématique. La commutation de surface entre les états ~j5 et p' est contrôlée par les ions chiraux, comme pour le nématique. En l'absence de champ, le smectique non chiral reste dans un des deux états "p* ou p'. La géométrie est donc celle de Clark Lagerwaal où les couches smectiques sont normales aux électrodes. On transporte les ions chiraux positifs et négatifs par le champ E, appliqué en impulsions courtes. Le basculement de surface se produit en un temps de surface τ ru lOμs et le volume suit comme pour le nématique, x J
Figure imgf000016_0001
typiquement. EXEMPLES DE REALISATION D'AFFICHEURS NEMATIQUES BISTABLES exemple 1
Les inventeurs ont testé des cellules contenant un némati¬ que à l'ambiante (5CB) dopé par des ions chiraux de signes opposés, le bromure de benzyl quininium (BBQ) qui donne un ion positif et de chiraiité "Vis française" et l'acide phenyl lactique (APL), qui donne un ion négatif et une chiraiité "Vis anglaise".
Les concentrations de BBQ et d'APL étaient respectivement 0,5% et 1,8%. La cellule avait une épaisseur de 6μm, en mode de guide d'onde présentant une surface bistable et une surface monostable. La surface bistable a été obtenue par une évaporation de SiO près de la région de la transition, comme indiqué dans le document Monkade, Boix, Durand, Europhysics Letters, 5, 697 (1988) dans un cas et par deux évaporations SiO croisées à 45° dans un autre cas. La deuxième orientation monostable a été obtenue de façon classique par évaporation de SiO épais à 60°. Les électrodes étaient de l'ITO classique sur verre. (Baitracon de Balzens). Avant l'application d'un champ électrique, la cellule montrait deux sortes de domaines confirmant l'existence de deux états de surface possibles sur l'électrode bistable.
En appliquant le champ, les inventeurs ont observé un seuil de basculement de surface d'un état bistable à l'autre, pour des impulsions carrées de 100V et 40μs. L'échantillon devient alors homogène, montrant l'orientation de surface sélectionnée par la polarité de la dernière impulsion de commande.
Un échantillon mince, identique d'épaisseur plus faible et non contrôlée (de 2 à 3μ), a montré une commutation à 20Volts, avec un temps de réponse minimum de surface τ= l Oμs.
Le temps d'établissement de la lumière, (c'est-à-dire le temps de rotation du volume τ ) est beaucoup plus long que le temps x 40μs). Il vaut de l'ordre de 50ms, temps typique de diffusion de l'orientation des
2 surfaces vers le volume pour l'épaisseur 6μm. Il baisse d'un facteur 6 = 36, c'est-à-dire devient de l'ordre de 1,5ms pour une cellule d≈ l μm. Cette expérience a permis de vérifier la validité de la commande électro-chirale des états de surface.
Pour faire un afficheur bistable, les inventeurs ont également réalisé une cellule symétrique constituée du même mélange 5 CB + BBQ +
APL et de deux électrodes identiques faites par deux évaporations de SiO à o angle azimuthal à 45° l'un de l'autre, d'épaisseur évaporée 60A (à l'angle zénithal de 74°). Les orientations moyennes d'évaporation étaient parallèles. L'épaisseur de la cellule était 6μm. Sans champ électrique, l'afficheur présente deux états planaires uniformes tournés de 1.20° par rapport à la direction moyenne d'alignement. L'angle "f)]? vaut donc 40°.
L'application d'impulsions carrées de V = _+ 1 10Volt et durant x = 40μs ou plus a permis la commutation entre ces deux états uniformes"^? et p'p'. Une courbe V(τ ) a été mesurée : elle est reproduite en figure 6.
Cette courbe montre que V décroit faiblement quand x augmente, de 120V à 30μs jusqu'à 80V à 300μs, comme prévu. Le contraste entre polariseurs croisés est fort ( <\_> 20) sans être optimisé. Le temps d'établissement de la lumière à travers la cellule était de Torde de 50ms, comme dans la 1ère expérience.
Cette expérience démontre la faisabilité d'un afficheur à double commutation symétrique de surface.
Pour ces deux expériences, les inventeurs, ont utilisé le 5CB, qui est un corps diélectriquement positif, tendant à s'aligner le long du champ électrique appliqué. Cette orientation est utilisée secondairement dans l'afficheur, pour aider à franchir la barrière de potentiel des orientations des surfaces, plus faible pour une orientation oblique (ou hométotrope) que planaire.
L'intérêt du choix de i'anisotropie diélectrique positive pour le matériau nématique a été démontré par une expérience réalisée par les inventeurs sur une cellule similaire à celle indiquée à l'exemple 1, c'est-à-dire présentant sur une électrode, une seule orientation définie, et sur l'autre électrode, deux orientations bistables, mais comprenant comme cristal liquide nématique du EN38 de Chisso C dont I'anisotropie Δε=- 7,5 - zff- εXest négative. Cette cellule n'a pas révélé de commutation de surface avec des impulsions aussi grandes que 140 Volts et une durée aussi grande que 2msec. En fait la commutation n'a pu alors être obtenue que sous l'effet de moyens mécaniques sous la forme d'écoulements électrohydrody¬ namiques induits par une excitation en courant alternatif basse fréquence. Le caractère dynamique de l'effet électrochiral a été démontré en observant que des impulsions non carrées, à bords exponentiel de temps caractéristique 50μs ne déclenchent pas l'effet de commutation, pour des tensions crête V= 150 Volt, soit des tensions supérieures au seuil V=100Volt observé pour des signaux carrés. Cette expérience confirme que dans les conditions opératoires du document 1. Phys. (France) 50, 1099 (1989) on n'opère aucune action mécanique en surface. Les propriétés dynamiques ainsi révélées de l'afficheur peuvent être mises à profit pour opérer une commande par multiplexage. Le temps court x de surface ( x « iOμs) permet l'inscription rapide de l'information sur une ligne. A 50Hz une image vidéo complète doit être enregistrée en l/50sec = 40ms. La limite théorique du nombre de lignes multiplexées est donc 40ms/l 0μs = 4000 lignes. Le temps d'intégration du volume nématique peut être choisi plus long, par ajustement de l'épaisseur ou du matériau ; il doit se comparer au temps image r 40ms. Le système permet potentiellement la réalisation d'afficheurs matriciels vidéo multiplexes à haute définition. MOYENS DE COMMANDE PERMETTANT UN MULTIPLEXAGE
On a décrit précédemment un dispositif optique à cristal liquide comprenant des ions chiraux dissous dans le matériau cristal liquide et des moyens d'alimentation électrique aptes à appliquer au dispositif des impulsions de champ électrique perpendiculaire aux plaques.
De préférence, le dispositif comprend plus précisément deux sortes d'ions chiraux chiralement opposés l'un à l'autre (pas de vis à gauche et pas de vis à droite). Lorsqu'une impulsion de tension est appliquée entre les électrodes du dispositif, et donc qu'un champ électrique est appliqué perpendiculairement aux plaques, les ions chiraux sont déplacés contre les électrodes, les ions positifs vers la cathode et les ions négatifs vers l'anode.
Les chiralites de ces ions chiraux sont de signes opposés par rapport à chaque normale orientée à chaque surface respective puisque leurs chiralites sont opposées, mais de même signe par rapport à un système de repère commun.
Une impulsion de tension de polarité donnée permet ainsi de faire passer le cristal liquide d'un premier état stable dans un second état stable.
Une impulsion de tension de polarité opposée permet de faire passer le cristal liquide inversement du second état stable vers le premier état stable.
Ces deux états stables sont dénommés A et B par la suite. Comme indiqué précédemment, pour contrôler l'état du dispositif optique à cristal liquide, les inventeurs proposent en variante d'appliquer successivement au dispositif : 1) un signal de commande apte à casser l'ancrage du cristal liquide sur les plaques et à induire une orientation généralement homogène du cristal liquide, puis
2) une impulsion de contrôle, d'amplitude plus faible que le signal de commande, et de polarité choisie selon l'état final requis.
De préférence, le signal de commande, qui génère un champ électrique normal aux plaques, définit une orientation homogène, homeotrope, par couplage avec les molécules d'un matériau cristal à anisotropie diélectrique positive. Un exemple de signaux successifs de commande et de contrôle conformes à la présente invention est représenté sur la figure 7 annexée.
On aperçoit sur la figure 7 annexée un signal de commande Ca suivi d'une impulsion de contrôle Co.
Le signal de commande Ca est appliqué au temps 1 et se termine au temps 2. Il dure le temps x .
Le signal de commande Ca est formé d'une succession d'impulsions de polarités opposées (deux impulsions Cal et Ca2 selon la figure 7) ayant pour fonction de briser l'ancrage des molécules cristal liquide sur les plaques et de définir une texture sensiblement homogène du cristal liquide, de préférence homeotrope, tout en conservant une répartition sensiblement homogène des ions chiraux dans la cellule.
Le signal de commande doit pour cela avoir une amplitude V qui dépasse un seuil V fonction du temps x d'application, soit
I v 1 > vs ( x ). En pratique, l'amplitude du signal de commande Ca est de préférence compris entre 1 et 100 volts, typiquement 10 et 20 volts.
Par ailleurs, la durée x du signal de commande Ca est avantageusement supérieure à 1 μs, typiquement comprise entre 20 et 50μs. Le signal de commande Ca peut être un signal haute fréquence.
Selon la présente invention, le signai de commande Ca est suivi d'une impulsion Co, dite de contrôle, d'amplitude _+ v, inférieure à Vs ( X ). L'amplitude /v| de l'impulsion de contrôle Co peut être faible. En pratique, on peut prendre 0,1 volt < v < 10 volts, typiquement 0,1 volt < v < 5 volts. L'impulsion de contrôle Co est maintenue entre les temps 2 et
3, c'est-à-dire pendant un temps τ ' avec 10 μs τ '<«> typiquement τ ' est compris entre 25 μs et 50 μs.
L'impulsion de contrôle Co permet de contrôler la polarité du champ dans la cellule entre les instants 2 et 3 où le système va commuter de l'orientation homeotrope homogène obtenue par le signai de commande Ca d'amplitude V à l'instant 2, vers l'un des états A ou B.
L'impulsion de contrôle Co permet en effet, selon sa polarité, d'attirer un premier type ou second type d'ions chiraux vers une première plaque et inversement pour la seconde. En utilisant une excitation successivement par un signal de commande Ca et une impulsion de contrôle Co conformes à la présente invention, comme indiqué sur la figure 7, on constate les effets suivants.
Supposons un système qui commute de l'état A vers l'état NB sous l'effet d'une impulsion de commande unique positive d'amplitude V, en l'absence d'impulsion de contrôle indiqué précédemment, et qui inversement commute de l'état B vers l'état A sous l'effet d'une impulsion de commande unique négative, en l'absence d'impulsion de contrôle.
Selon la présente invention, après un signal de commande Ca, une impulsion de contrôle positive Co entraîne le basculement de A vers B et une impulsion de contrôle négative Co entraîne le basculement de B vers A.
Finalement, l'état obtenu après retour à l'équilibre ne dépend que de la polarité de l'impulsion de contrôle Co.
Les moyens proposés par la présente invention permettent donc de séparer les fonctions : le signal de commande Ca d'amplitude V casse l'orientation de surface, et l'impulsion de contrôle Co contrôle par son signe l'état final A ou B. La table de commutation obtenue est donnée sur la figure 8 où on a supposé . V . ^ V ( x ).
APPLICATION AU MULTIPLEXAGE D'UN AFFICHEUR NEMATIQUE BISTABLE Les moyens précités permettent un contrôle simple de l'afficheur, par multiplexage.
Supposons comme représenté schématiquement sur la figure 9, un afficheur matriciel comprenant N électrodes de ligne référencées 18-1 à 18-N sur une première plaque et M électrodes de colonne référencées 19-1 à 19-M sur la seconde plaque.
Chaque pixel défini par l'intersection d'une électrode de ligne et d'une électrode de colonne est identifié par ses coordonnées i, j.
Le procédé de multiplexage conforme à la présente invention est le suivant. On ouvre successivement chaque ligne 18-1 à 18-N, par exemple la ligne i, en l'excitant par un signal de commande Ca d'amplitude V( V | > V ( τ )). Le signal de commande Ca est appliqué sur la ligne i selon l'illustration schématique de la figure 9, les autres lignes ne reçoivent pas de signal (V=0). A la fin de l'excitation par le signal de commande V, toute la ligne i est effacée, les molécules du cristal liquide prennent une orientation homeotrope.
On envoi ensuite en parallèle des impulsions de contrôle Co d'amplitude _+ v sur toutes les colonnes M simultanément, suivant l'état désiré des différents pixels, i, j (1 j M) de la ligne i. Les impulsions de contrôle Co d'amplitude +_ v sont appliquées juste à la fin du signal de commande Ca d'amplitude V. Les pixels i, j (1 j ^ ) de cette ligne sont alors placés dans les états A ou B, suivant le signe de la petite impulsion de contrôle v. Les autres lignes, non ouvertes (V=0), sont sensibles à l'impulsion de contrôle Co et conservent leurs états A ou B. Pour plus de commodité, on pourra commencer l'application de l'impulsion de contrôle Co avant la fin du signal de commande Ca. L'important est que l'impulsion de contrôle Co persiste 10 à 50 μs après la fin du signal de commande Ca. Après la ligne i, on ouvrira successivement les lignes i+ 1 , i+2, etc., qui seront effacées et réinscrites, pour tracer la nouvelle image. Chaque ligne est donc successivement effacée, par un signal de commande Ca d'amplitude V pendant le temps x , et réinscrite par une impulsion de contrôle Co d'amplitude v pendant le temps x' qui succède à x. Le temps total pour effacer et inscrire une ligne est donc, selon le procédé précité : τ + τ', ajustable en variant le signal de commande Ca et l'impulsion de contrôle Co. Le temps total pour effacer et inscrire une image complète est alors N( x + τ'). Cependant, on peut avantageusement ouvrir la ligne i + 1 avec un signal de commande Ca, pendant le temps x' d'inscription de la ligne précédente i avec des impulsions de contrôle Co. Le temps total d'inscription d'une image complète est alors seulement N x x au lieu de N( x + x '). En conclusion, le système d'afficheur bistable, décrit précédemment peut être multiplexe très simplement grâce aux moyens proposés par la présente invention.
Pour cela, on excite séquentiellement chaque électrode de ligne par un signal de commande alternatif Ca d'amplitude V compris entre 1 et 100 volts, typiquement 10 et 20 volts de durée supérieure à 1 μs, typiquement comprise entre 20 et 50 μs, qui casse l'orientation de surface et efface la ligne.
On applique juste après le signal de commande Ca, une impulsion de contrôle Co d'une amplitude v comprise entre 0,1 et 10 volts, et de durée supérieure à 10 μs, typiquement comprise entre 25 et 50 μs, en parallèle sur toutes les colonnes. L'état final des pixels ne dépend que de la polarité de l'impulsion de contrôle Co.
En pratique, on peut alors prendre une impulsion de contrôle Co ayant une amplitude de l'ordre de 0,1 volt. L'excitation séquentielle des lignes est poursuivie pour balayer toute l'image. Ce procédé de multiplexage conforme à la présente invention est beaucoup plus simple que ceux proposés précédemment pour le multiplexage des smectiques ferroélectriques smectiques C*. Pour ces derniers, en effet, on utilise généralement, outre une impulsion d'efface- ment, une double impulsion d'écriture, toutes ces impulsions (4 par exemple), étant à forte tension. Le procédé conforme à la présente invention n'utilise qu'une "forte" tension V de commande, et une faible tension +_ v de contrôle. VARIANTE ILLUSTREE SUR LES FIGURES 10 ET SUIVANTES. On a décrit précédemment un nouveau dispositif d'affichage bistable à cristal liquide nématique, utilisant deux états d'orientation de surface distincts p et p' sur chaque électrode, c'est-à-dire deux ancrages non alignés. La commutation entre ces deux états est commandé par une impulsion de champ électrique qui casse d'abord l'ancrage de surface, au-delà d'une valeur de seuil. Vu la symétrie des deux orientations faciles de la surface, le cristal liquide non dopé revient au hasard vers l'un ou l'autre des deux états de surface. En présence d'ions chiraux, la dégénéres¬ cence est levée, le nématique, en retournant vers l'équilibre, prend une orientation de surface tournée de p vers p' avec l'ion de chiralité 0 et de p' vers p avec l'ion de chiraiité < 0. Le signe des chiralites est lié au signe des charges électriques des ions, et donc à la direction (signe) du champ électrique.
Les inventeurs proposent en outre une autre variante de dispositif, similaire au précédent, en ce qui concerne la bistabilité, l'emploi d'un nématique, son dopage par ion chiral et la cassure des orientations de surface, en utilisant un nématique d'anisotropie diélectrique positive. Toutefois cette variante du dispositif se distingue du précédent, par le fait qu'elle utilise des ancrages nematiques simples et non doubles, mais de force différente sur les deux électrodes. Ces ancrages définissent deux textures bistables en volume, mais de torsion différente. La commutation entre ces deux textures est produite par une rotation de 180° sur une seule électrode, par le mécanisme électrochiral déjà décrit. La détection du contraste optique .nécessaire à l'affichage est faite en utilisant, suivant les cas, le pouvoir rotatoire, l'ellipticité ou la réflexion de la lumière.
On va maintenant procéder à une description plus détaillée de cette nouvelle variante. Le dispositif représenté sur la figure 10 comprend une cellule de cristal liquide 10, dopée par des ions chiraux, et une substance choiestérique non ionique, pour ajuster éventuellement une torsion spontanée des textures, (voir plus loin). Les électrodes 18, 19 sont réalisées sur des lames de verre 12, 14 traitées ITO, pour être conductrices et transparentes. Les surfaces des électrodes 18, 19 sont traitées pour obtenir une seule orientation planaire (molécules dans le pian des électrodes) ou quasi planaire (molécules obliques, mais de projection F définie dans le plan). Ceci peut être réalisé par exemple par une évaporation oblique de SiO, suivant un procédé classique. On peut ainsi utiliser d'autres procédés, par exemple un polymère frotté. Le traitement sur la surface des électrodes doit être adapté pour obtenir un ancrage planaire fort sur une des deux électrodes 18, 19 (il sera peu sensible au champ électrique) et un ancrage plus faible sur l'autre électrode (qui sera la plus sensible au champ électrique). Ces deux orientations quasi planaires sont de préférence parallèles l'une à l'autre.
L'épaisseur de la cellule qui correspond à la distance entre les deux électrodes 18, 19 et donc à la distance entre les deux orientations planaires précitées est typiquement d = 4μm. Les inventeurs ont réalisé des essais avec un nématique formé de 5CB (pentylcyanobiphenyl) qui a une anisotropie diélectrique positive et qui s'oriente donc le long du champ appliqué E. Le dopage en ions chiraux était constitué d'un mélange de 0,21% en masse d'acide phenyl lactique et de 0,04% en masse de Bromure de Benzyl quininium. On a dissout dans ce mélange 15% en masse 4-cyano-4'-methyl-2butryloxy-biphenyl pour donner une torsion spontanée au mélange d'un quart de tour sur l'épaisseur d (le transformant en choiestérique). Le pas de ce choiestérique résultant était de 16μm, donnant un quart de tour de rotation spontanée sur d = 4μm. En l'absence de champ, ces inventeurs ont observé dans la cellule l'une ou l'autre des deux textures suivantes : a) Une texture uniforme planaire (ou quasi planaire), dénommée textutre "u". La torsion est nulle. b) Une texture tordue d'un demi-tour (la torsion est 180°) dénommée texture "t". Cette texture "t" est représentée schématiquement sur la f igure 12. Ces deux textures ont la même énergie, car le cristal liquide, devenu choiestérique par dopage, préférerait une torsion spontanée de 90°, intermédiaire entre 0 et 180°.
La différence entre les textures "u" et "t" peut être observée par l'apparition, dans la texture tordue "t", de pouvoir rotatoire et d'ellipticité pour la lumière transmise, propriétés qui n'existent pas pour la texture non tordue "u". Cette ellipticité et ce pouvoir sont décrites plus loin. La cellule est alors placée entre polariseurs linéaires croisés parallèle et perpendiculaire à la direction planaire F. Dans le cas où le pas est de l'ordre de grandeur des longueurs d'onde optiqueλ , (cellule très mince, ou λ grand (infrarouge) on peut aussi détecter la rotation par une réflexion totale de Bragg de la lumière polarisée circulairement dans la texture "t".
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux conditions opératoires particulières précitées.
On va maintenant expliciter la commutation entre les deux textures bistables.
Pour cet exposé, on suppose que l'on part de la texture "u" qui est noire entre polariseurs croisés et on applique aux bornes de la cellule une impulsion électrique carée de +_ V pour une durée τ = lOOμs. (0 < V < 100 volt). Le champ appliqué est E = V/d.
Pour une tension 0 <_ V < 50 volt, on n'observe pas de changement de texture.
Pour V > 50volt, on fait au contraire apparaître la texture "t", détectée par l'apparition de lumière transmise.
Si on applique une impulsion négative -V(0 < V < 50volt), la texture ne change pas. En revanche avec une impulsion négative 50volt < V < 60volt, on voit disparaître la lumière transmise, on repasse de "t" en "u". Si V> à 60v, on reste sur la texture "t" qui ne s'efface plus. En l'absence d'impulsions, les textures "u" et "t" sont stables, le système apparaît donc comme optiquement bistable.
Le comportement précédent s'explique de la façon suivante : à 50volt/4μm, c'est-à-dire pour E '^12.5 volt/μm, on casse l'orientation de surface sur l'électrode d'ancrage le plus faible. A la fin de l'impulsion (après le temps x ), le cristal liquide retourne à l'orientation de surface F, les ions chiraux amenés par E produisent une rotation de surface de 180°. On obtient alors la texture "t" à partir de "u". En inversant le champ E, on crée un demi tour de signe opposé sur la même électrode et on retourne vers la texture "u". Il existe en fait deux textures "t " et "t"", qui tournent de +_ 180°. Ces deux textures ont des énergies différentes, à cause de la torsion spontanée crée par le dopage choiestérique. On n'en observe donc qu'une, la "t " par exemple. Au-delà de 60volt/4μm, on casse la deuxième surface d'ancrage plus fort. La présence d'ions chiraux de chiraiité et de signes opposés sur cette surface de plus fort ancrage empêche la torsion "u" vers "t" ou le déroulement "t" vers "u", car elle permet une rotation simultanée des deux ancrages de surface de 180° dans le même sens. Il est donc important pour le bon fonctionnement du dispositif d'utiliser des ancrages planaires de forces très différentes.
Pour optimiser le contraste on peut procéder comme suit.
On envoie sur la cellule de la lumière polarisée suivant la direction F d'orientation planaire de la face d'entrée, indifféremment la face d'ancrage fort ou faible.
A la sortie, la lumière est polarisée elliptiquement (figure 13).
Le grand axe de l'ellipse a tourné d'un angle B. L'ellipticité est définie par l'angle X de la diagonale du rectangle qui circonscrit l'ellipse. En utilisant le document : de Vries, Acta Crystall. 4 p. 219 (1951), on peut calculer, pour le cas pratique de 5CB, qui a des indices ordinaires n = 1.55 et extraordinaire n = 1.75, les angles B et X en fonction du pas du cristal liquide p = 2d des textures tordues de 180°. B(p) et X(p) sont données par o les figures 14 et 15 pour 3 longueurs d'ondes, rouge λ r = 6328A, verte , o û λ 5461A et bleu λ = 4880A. On voit que si on utilise le mode de pouvoir rotatoire, comme dans l'expérience décrite, on doit choisir un pas p qui donne B maximum, (et X faible), c'est-à-dire on doit faire une cellule de pas p = 2d = 5μm, donc d'épaisseur d = 2,5μm. Si l'on utilise un analyseur plus compliqué, elliptique par exemple pour augmenter le contraste, on a intérêt à choisir X maximum (et B faible), c'est-à-dire p = 6μm, donc d = 3μm. La cellule d = 4μm utilisée par les inventeurs, n'est pas optimisée mais donne cependant un contraste de 18.
En conclusion le dispositif de la variante qui vient d'être décrit en regard des figures 10 et suivantes peut être ainsi résumé. Ce dispositif présente sur chaque surface d'électrode un ancrage unique planaire, au lieu de deux ancrages distincts, et comprend un cristal liquide nématique spontanément tordu (donc "choiestérique"). Cette cellule cristal liquide possède deux textures bistables (de même énergie), l'une uniforme "u", l'autre "t", tordue d'un demi tour. Le signe de la torsion de la texture tordue "t" par rapport à "u" est contrôlée par le signe de la torsion spontanée du choiestérique. Les ancrages planaires simples sur les deux surfaces sont choisies avec des énergies différentes. L'application d'un champ électrique impulsionnel associé aux ions chiraux, casse d'abord la surface (grâce à I'anisotropie diélectrique positive du nématique) et crée une rotation de surface de _+ 180° suivant le signe du champ électrique E. Cette rotation ne se fait que sur la lame d'ancrage faible. Le signe de la rotation est donc contrôlé par le signe de E. Entre polariseurs linéaires croisés, l'état "u" est noir et l'état "t" est clair. On a donc réalisé une commutation entre deux états bistables, permettant de fabriquer un pixel pour un afficheur noir et blanc (simple ou/et matriciel). Avec un filtre coloré on réalise un affichage coloré. Dans ce cas, les épaisseurs optimales seront choisies d'après les figures 14 et 15 en fonction des longueurs d'onde λ . L'avantage du dispositif est de travailler avec des ancrages simples, plus faciles à réaliser industriellement que les ancrages doubles.
Bien entendu la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation particuliers qui viennent d'être décrits mais s'étend à toutes variantes conformes à son esprit. Ainsi par exemple, dans le cas de la variante représentée sur les figures 10 et suivantes, on peut utiliser deux ancrages planaires, l'un fort, l'autre faible, orthogonaux entre eux et non pas parallèles. Dans ce cas, on obtient deux états stables spontanément tordus. Le dopage par un choiestérique n'est alors plus nécessaire.

Claims

R E V E N D I C A T I O N S
1. Dispositif optique à cristaux liquides à effet bistable du type comprenant deux plaques transparentes ( 12, 14) pourvues d'électrodes de commande ( 18, 19) et entre lesquelles est placé un matériau cristal liquide (20) dont les molécules sont susceptibles d'occuper alternativement au moins deux états stables, caractérisé par le fait que :
- des ions chiraux sont dissous dans le matériau cristal liquide (20), et
- il est prévu des moyens (30) aptes à appliquer au dispositif des impulsions de champ électrique perpendiculaires aux plaques (12, 14), orientées alternativement dans un sens puis dans l'autre.
2. Dispositif optique selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il présente un effet multistable, c'est-à-dire que les molécules du matériau cristal liquide (20) sont susceptibles d'occuper alternativement un nombre d'états stables supérieur à deux.
3. Dispositif optique selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les moyens d'alimentation en champ électrique (30) sont conçus pour appliquer successivement un nombre d'impulsions de champ électrique perpendiculaires aux plaques égales au nombre de sauts entre deux états stables, dans un sens donné, puis un même nombre d'impulsions de champ électrique, perpendiculaires aux plaques dans le sens opposé.
4. Dispositif optique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que les moyens d'alimentation (30) sont conçus pour appliquer des impulsions de tension comprises entre 10 et 1000 Volts.
5. Dispositif optique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la durée des impulsions de champ électrique appliquées par les moyens d'alimentation (30) est inférieure à l OOOμs, de préférence inférieur à l OOμs.
6. Dispositif optique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait qu'il comprend deux types d'ions chiraux présentant respectivement des polarités électriques opposées et des chiralites opposées.
7. Dispositif optique selon la revendication 6, caractérisé par le fait que les deux ions chiraux de polarités électriques et de chiralites opposées sont obtenus à partir d'une molécule chirale contenant au moins deux carbones asymétriques, soluble en milieu organique et dont les deux ions et contre-ions sont chiralement opposés l'un à l'autre.
8. Dispositif optique selon la revendication 6, caractérisé par le fait que les deux sortes d'ions chiraux sont obtenues à partir de deux molécules organiques différentes donnant chacune des ions dont un au moins est chiral avec des signes électriques et des chiralites opposées.
9. Dispositif optique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait qu'il comprend un seul type d'ion chiral.
10. Dispositif optique selon l'une des revendications i à 9, caractérisé par le fait qu'il comprend des ions chiraux présentant une chiraiité de signe positif choisis dans le groupe comprenant : bromure de benzyl quininium (BBQ), chlorure de benzyl quininium (CBQ), chlorhydrate d'ester éthylique d'alanine.
11. Dispositif optique selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait qu'il comprend des ions chiraux présentant une chiraiité de signe négatif choisis dans le groupe comprenant : acide phényilactique, phenyllactate de potassium.
12. Dispositif optique selon l'une des revendications 1 à 1 1, caractérisé par le fait que l'effet bistable ou multistable est obtenu par traitement de surface des plaques (12, 14).
13. Dispositif optique selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé par le fait que l'effet bistable ou multistable est obtenu par différents frottements inclinés entre eux réalisés sur la surface interne des plaques (12, 14), par exemple deux frottement à 45° d'un polymère déposé sur les plaques (12, 14).
14. Dispositif optique selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé par le fait que l'effet bistable ou multistable est obtenu par contrôle de l'épaisseur et de la longueur d'onde moyenne de la rugosité sur la surface interne des plaques (12, 14).
15. Dispositif optique selon l'une des revendications 1 à 1 1 , caractérisé par le fait que l'effet bistable est dû aux propriétés du cristal liquide.
16. Dispositif optique selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé par le fait que le matériau cristal liquide est un nématique.
17. Dispositif optique selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé par le fait que le matériau cristal liquide (20) est un choiestérique.
18. Dispositif optique selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé par le fait que le matériau cristal liquide (20) est un smectique
C non ferroélectrique.
19. Dispositif optique selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé par le fait que le matériau cristal liquide (20) est un smectique C ferroélectrique.
20. Dispositif optique selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisé par le fait que le matériau cristal liquide nématique (20) est dopé avec deux sortes d'ions chiraux présentant des polarités électriques et des chiralites opposées et que l'épaisseur d du dispositif séparant les deux plaques ( 12, 14) est choisie pour que la différence de chemin optique entre les deux polarisations ordinaire et extraordinaire soit de l'ordre de λ/2 de sorte que le dispositif travaille en mode de biréfringence.
21. Dispositif optique selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisé par le fait que l'épaisseur d du dispositif séparant les deux plaques (12, 14) est déterminée pour remplir la condition de Mauguin d λΔ n afin de travailler en mode guide d'onde.
22. Dispositif optique selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisé par le fait qu'un colorant dichroîque est additionné au matériau cristal liquide (20) de sorte que le dispositif travaille en mode d'absorption.
23. Dispositif optique selon l'une des revendications 1 à 22, caractérisé par le fait que le matériau cristal liquide (20) présente une anisotropie diélectrique positive.
24. Dispositif optique selon l'une des revendications 1 à 23, caractérisé par le fait que les moyens d'alimentation électrique sont conçus pour appliquer successivement au dispositif :
- un signal de commande (Ca) apte à casser l'ancrage du cristal liquide sur les plaques et à induire une orientation généralement homogène du cristal liquide, puis
- une impulsion de contrôle (Co), d'amplitude plus faible que le signal de commande (Ca), et de polarité choisie selon l'état final.
25. Dispositif optique selon la revendication 24, dans lequel les électrodes de commande sont agencées en N lignes (18-1 à 18-N) et M colonnes (19-1 à 19-M) définissant une matrice de NM pixels à leurs intersections, caractérisé par le fait que les signaux de commande (Ca) sont appliqués successivement sur les N électrodes de ligne, tandis qu'à la fin de chaque signal de commande, des impulsions de contrôle (Co) de polarité respectivement choisie sont appliquées simultanément sur l'ensemble des M électrodes de colonne.
26. Dispositif optique selon la revendication 24 ou 25, caractérisé par le fait que le signal de commande (Ca) comprend deux impulsions successives de polarités opposées (Cal, Ca2).
27. Dispositif optique selon la revendication 24 ou 25, caractérisé par le fait que le signal de commande (Ca) comprend des impulsions successives de polarités opposées (Cal, Ca2).
28. Dispositif optique selon la revendication 24 ou 25, caractérisé par le fait que le signal de commande (Ca) comprend une série d'impulsions haute fréquence.
29. Dispositif optique selon les revendications 24 à 28, caractérisé par le fait que l'amplitude du signal de commande (Ca) est comprise entre 1 et 100 volts, typiquement entre 10 et 20 volts.
30. Dispositif optique selon les revendications 24 à 29, caractérisé par le fait que la durée du signal de commande (Ca) est supérieure à 1 μs, typiquement comprise entre 20 et 50 μs.
31. Dispositif optique selon les revendications 24 à 30, caractérisé par le fait que l'amplitude des impulsions de contrôle (Co) est comprise entre 0,1 et 10 volts, typiquement entre 0,1 et 5 volts.
32. Dispositif optique selon les revendications 24 à 31, caractérisé par le fait que la durée des impulsions de contrôle (Co) est supérieure à 10 μs, typiquement comprise entre 25 et 30 μs.
33. Dispositif optique selon les revendications 24 à 32, caractérisé par le fait que le début des impulsions de contrôle (Co) coïncide avec la fin du signal de commande (Ca).
34. Dispositif optique selon les revendications 24 à 32, caractérisé par le fait que le début des impulsions de contrôle (Co) précède la fin du signal de commande (Ca).
35. Dispositif optique selon les revendications 33 ou 34, caractérisé par le fait que les impulsions de contrôle (Co) persistent après la fin du signal de commande (Ca) pendant au moins 10 à 50 μs.
36. Dispositif optique selon l'une des revendications 24 à 35 prise en combinaison avec la revendication 25, caractérisé par le fait que le début du signal de commande (Ca) sur l'électrode de ligne i+ 1 coïncide sensiblement avec la fin du signal de commande (Ca) sur l'électrode de ligne i.
37. Dispositif optique selon l'une des revendications 1 à 36, caractérisé par le fait que chaque électrode ( 18, 19) présente deux ancrages non alignés.
38. Dispositif optique selon l'une des revendications 1 à 36, caractérisé par le fait que les électrodes ( 18, 19) présentent des ancrages simples et de forces respectivement différentes.
39. Dispositif optique selon la revendication 38, caractérisé par le fait que les ancrages simples sont planaires ou quasi planaires.
40. Dispositif optique selon l'une des revendications 38 et 39, caractérisé par le fait que les ancrages simples prévus respectivement sur chacune des deux plaques transparentes, sont parallèles entre eux.
41. Dispositif optique selon la revendication 40, caractérisé par le fait que le matériau cristal liquide est un nématique dopé par une choiestérique.
42. Dispositif optique selon l'une des revendications 38 et 39. caractérisé par le fait que les ancrages simples prévus respectivement sur chacune des deux plaques transparentes sont orthogonaux entre eux.
43. Dispositif optique selon l'une des revendications 38 à 42, caractérisé par le fait que les impulsions électrides appliquées entre les électrodes ont une amplitude comprise entre 50 et 60volts.
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