WO1998050821A1 - Dispositif a cristaux liquides comprenant des moyens d'ancrage sur au moins une plaque de confinement donnant une orientation degeneree - Google Patents

Dispositif a cristaux liquides comprenant des moyens d'ancrage sur au moins une plaque de confinement donnant une orientation degeneree Download PDF

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WO1998050821A1
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Philippe Martinot-Lagarde
Ivan Dozov
Eric Polossat
Eric Raspaud
Philippe Auroy
Olivier Ou Ramdane
Georges Durand
Sandrine Forget
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Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs)
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    • G09G3/3637—Control of matrices with row and column drivers using a passive matrix using liquid crystals having memory effects, e.g. ferroelectric liquid crystals with intermediate tones displayed by domain size control

Definitions

  • the present invention relates to the field of liquid crystal display devices.
  • the present invention is the result of a collaboration between the CNRS, the University of Paris-Sud and the Institut Curie.
  • the mesogenic molecules generally orient in a direction close to the direction of friction.
  • This orientation is characterized by a single "easy" direction for the nematic, usually defined by the angles ⁇ o and ⁇ 0 (see Figure 1): the zenith angle ⁇ o, between the easy axis f and the normal z to the substrate; and the azimuth angle ⁇ o between the easy axis f and a fixed direction chosen in the plane of the substrate.
  • the easy axis f corresponds to a minimum of the interaction energy of the nematic with the bordering phase.
  • the anchoring energy W has a single minimum, which corresponds to a single easy axis (generally, we do not differentiate between the direction n s and the opposite direction -n s , because that the nematic phase is non-polar).
  • a large number of treatments give this simple anchor, which is widely used in liquid crystal display devices.
  • Degenerate anchors are typical on a flat interface between the nematic and an isotropic phase. Indeed, nothing imposes an azimuthal direction in this case and by symmetry the minimum of anchoring energy is achieved for all possible angles ⁇ (0 ⁇ ⁇ 360 °).
  • the first of these phenomena identified by the inventors corresponds to an adsorption of the mesogenic molecules on the surface.
  • the orientation of the molecules is defined by chance or by flow.
  • the nematic molecules in direct contact with the surface are adsorbed on the substrate.
  • their order and their orientations are memorized on the surface and imposed on the nematic molecules which remain in the volume near the substrate.
  • the second of these phenomena identified by the inventors corresponds to an orientation of the substrate by the nematic.
  • the present invention now aims to improve the liquid crystal devices to allow the operation of a degenerate or almost degenerate anchor. More specifically, the present invention aims to provide new means for obtaining degenerate anchors, or almost degenerate, and without memory of liquid crystals on solid substrates and allowing the use of these anchors in display devices.
  • a liquid crystal display device comprising a liquid crystal material sandwiched between two confinement plates, characterized in that at least one of the plates is provided with '' a treatment which defines a degenerate azimuthal anchoring, without azimuthal orientation memory.
  • the treatment is a passivation treatment of the surface of at least one of the plates by inhibiting the adsorption sites on this surface.
  • the treatment may be a treatment operating by saturation of the adsorption sites.
  • the treatment comprises a coating comprising a polymer comprising fluid or very mobile chains, or even self-lubricating, that is to say without site capable of adsorbing the liquid crystal.
  • FIG. 1 represents the azimuthal orientation of "easy" direction of the nematic director with respect to a confinement plate and the zenith orientation of the easy direction with respect to normal to the latter
  • FIG. 2 represents the orientation of two easy directions in the case of a bistable anchoring
  • FIG. 3 shows schematically the case of a conical anchor
  • FIG. 4 represents the energy of the zenith anchor for a monostable planar alignment
  • FIG. 5 represents the energy of the zenith anchor for a symmetrical bistable anchor or for a degenerate conical anchor
  • FIG. 6 represents the texture of the liquid crystal during six successive stages of a switching process
  • FIG. 7 represents the texture of the liquid crystal during four successive stages of a switching process in accordance with another variant of the present invention
  • FIG. 9 represents the optical response between crossed polarizers of a cell according to the present invention
  • FIG. 10 represents two flat textures capable of being obtained with a planar anchoring on a counter blade
  • FIG. 11 represents the registration thresholds as a function of the duration of the control pulses, measured on a cell comprising a polyisoprene treatment
  • FIG. 12 represents the registration thresholds as a function of the duration of the control pulses, measured on a cell comprising a polystyrene treatment
  • FIG. 13 shows the spontaneous erasure time of a cell as a function of the square of the thickness of the cell concerned
  • - Figure 14 shows different curves illustrating the optical response of a cell according to the present invention for electrical control pulses of a fixed duration and of different amplitudes
  • FIG. 15 represents the optical signal as a function of time for refresh pulses of fixed repetition frequency and for different amplitudes of these pulses
  • FIG. 16 represents the average light intensity as a function of the voltage rms
  • FIG. 17 illustrates a variant in which the two electrodes are arranged on the same plate
  • FIG. 18 represents the angle ⁇ (z) for two displays, one in accordance with the invention, the other conventional, - FIG. 19 illustrates the twist in a chiralised cell
  • FIG. 20 represents the optical response of a horizontal field cell
  • FIG. 21 represents a device with a chiralised or cholesteric nematic
  • FIG. 22 represents the optical response of this device
  • FIG. 23 represents the optical response for a similar device having a different thickness and pitch
  • FIG. 24 shows the optical response of a long-pitch cell.
  • the undesirable memory of the surface of a containment plate is eliminated by virtue of a thin layer of an appropriate surfactant on the substrate.
  • the role of the surfactant is to occupy the adsorption sites available on the surface and in this way to "passivate" the substrate, making it impossible to adsorb the liquid crystal itself.
  • This passivation material can be formed of any surfactant which reacts strongly with the surface of the containment plate and which is easily adsorbed on it, preferably in a definitive manner.
  • this surfactant is further adapted so as not to interact strongly with the liquid crystal, for example not to orient itself easily by the anisotropic interactions with the mesogenic molecules.
  • the surface of the confinement plate becomes inert: it no longer adsorbs the molecules of the liquid crystal, and moreover it does not become anisotropic under their action.
  • a monomolecular layer of the surfactant is sufficient to saturate all the available adsorption sites and to passivate the surface.
  • the surfactant film is preferably thicker to ensure passivation.
  • the passivation material is advantageously formed by a thicker layer to strongly screen the substrate-liquid crystal interaction and to thereby avoid the orientation of the polymer and the hysteresis which results therefrom. results.
  • the inventors tested in particular several surfactants belonging to the family of organofunctional silanes, comprising chlorosilane (Si-Ci), silanol (Si-OH), or alkoxysilane ( Si-C n H 2n OH). To cling to the surface, these products have the property of being easily adsorbed on glass or other substrates and, after heat treatment, react chemically with the surface and with each other.
  • the surfactant layer obtained in this way is very solid and impenetrable for the mesogenic molecules.
  • the organofunctional group is chosen so as to minimize the interaction between the surfactant and the mesogenic molecule, to avoid the phenomena of memory and hysteresis.
  • the invention is however not limited to the family of organofunctional silanes.
  • any equivalent compound that is to say any compound capable of fulfilling the two aforementioned functions: a) to be anchored on the substrate, b) but without interacting with the liquid crystal material, for example with chromium complexes .
  • chromium complexes capable of defining a homeotropic anchoring are found in document [7]. Experimental results have shown that most of the silanes tested reduce the memory of the substrates on which they are deposited.
  • the inventors observed that the deposition of a layer of GLYMO thicker than about 100A leads to planar anchoring ( ⁇ o ⁇ 90 °) degenerate without any orientation memory: the orientation of the nematic in the test cell is uniform, defined by the standard slide, and under the action of an external electric or magnetic field this orientation changes in a uniform manner and without memory .
  • the azimuthal anchoring energy on substrates provided with a passivation layer thicker than 100A is strictly equal to zero. Layers thinner than 100A give very low azimuth anchoring energy, less uniform anchoring and less reproducible results.
  • the inventors also tested the action of the passivation layers of the GLYMO product on anisotropic substrates.
  • the substrates tested were glass slides with transparent ITO electrodes and a thin layer (5 to 1000 ⁇ ) of SiO, evaporated in vacuum at a grazing angle (75 °).
  • the orientation of the 5CB nematic on these substrates is according to the conditions of evaporation, planar monostable, bistable inclined and monostable inclined.
  • the substrates show a very strong memory of the initial orientation of the nematic, due to the strong adsorption of mesogenic molecules on the porous and polar layer of SiO.
  • the orientational memory disappears almost completely.
  • the alignment of 5CB on the passivation layers is planar (without pretilt) monostable, in a direction perpendicular to the evaporation plane.
  • the energy of the azimuth anchoring is very strong for the thinnest layers, with an extrapolation length L ⁇ 4 ⁇ A. This anchoring energy gradually weakens when the thickness d of the GLYMO film increases and for d> 200A, L diverges and the anchoring becomes planar degenerate.
  • the thickness of the passivation layer is preferably between 20 A and 500 A. Similar results have been obtained by passivating with a layer of GLYMO glass or ITO substrates, made anisotropic by friction. Without passivation, these substrates align the 5CB in a monostable planar fashion, with a strong azimuth anchoring and a very large surface memory. By depositing a layer of GLYMO on the substrates, the inventors observed a complete disappearance of the memory and a weakening of the anchoring force. Again, the anchoring energy gradually decreases when d increases and at d> 200A it cancels out completely: the anchoring becomes planar degenerate, with negligible memory. Similar results have also been obtained with a unidirectional friction of the layer of GLYMO previously deposited on an isotropic substrate.
  • the passivation treatment can be formed by depositing a coating thick enough to prevent access to the adsorption sites formed on the substrate, by the liquid crystal molecules, without for the coating does not saturate each of these sites.
  • the present invention also proposes, in order to avoid surface hysteresis, to apply to the substrate an isotropic liquid or vitreous layer, the molecules of which can not only inhibit the adsorption sites on the substrate as indicated above, but also can easily reorient or deform so that the confinement plate thus treated loses all the memory of the previous orientation.
  • This layer plays the role of an orientational lubricant: it allows the orientation of the nematic director n s on the surface to slide on the substrate without any friction or hysteresis.
  • a “anchoring lubricant” product can be formed from polymers which are in the liquid phase at room temperature (or more precisely, throughout the thermal stability range of the mesogenic phase used). In this case, it is necessary to graft the lubricating layer on the substrate to strongly attach its molecules and avoid their solution or diffusion in the liquid crystal.
  • the layers thus prepared are both very stable macroscopically and very mobile at the molecular level.
  • anchoring lubricants solid polymers, in their vitreous state, provided that their chains are fairly mobile and their viscosity is moderate. This condition is easy to meet if the polymer is close to its melting point at room temperature.
  • the inventors have in particular tested several liquid polymers from the family of siloxanes and glassy polymers, with a melting temperature close to ambient (for example polyisoprene and polybutadiene). These products have great mobility in their chains.
  • Two nematics at room temperature were used in this study: 5CB and the nematic mixture MLC 6012 (Merck). All the products, deposited in thin layers on the substrates, gave degenerate anchors of the two nematics studied and without any orientation memory.
  • the polyisoprene layers deposited on isotropic substrates give an excellent degenerate orientation of the nematics studied. No anchoring memory was detected in the test cells: the orientation of the easy axis on the polyisoprene always remains in the same plane, only on the standard blade. Under the action of the external fields, the easy axis on the studied slide is reoriented in a uniform way without hysteresis and without any azimuthal anchoring energy.
  • the azimuthal anchoring energy decreases.
  • the inventors observed a gradual transition between the highly monostable anchoring of the substrate and the degenerate anchoring typical for the polyisoprene layer. This is also accompanied by a complete disappearance of the orientation memory.
  • the zenith angle ⁇ 0 of the degenerate anchoring on the polyisoprene depends on the nature of the substrate and the nematic.
  • the anchor is planar degenerate for polyisoprene deposited on evaporated SiO, while it is degenerate conical ( ⁇ o close to 55 °, the "magic" angle) if the polyisoprene film is deposited directly on the glass.
  • the polystyrene used to modify the surfaces (hereinafter called functional PS) was synthesized anionically according to a conventional method, so as to obtain polymer chains terminated at one end with SiCl3.
  • the molecular mass of the functional PS is typically 40,000 g / mol but can be varied from 1,000 to 10 6 g / mol.
  • a solution of functional PS is first prepared in anhydrous toluene, at a volume fraction of the order of 5%.
  • the surfaces to be grafted are cleaned in a stream of oxygen, under UV.
  • the functional PS solution is deposited on these surfaces suitable for the spinner.
  • the surfaces covered with functional PS are placed in the vacuum oven, typically for 24 hours, at a temperature of 160 ° C.
  • the excess functional polymer is then removed by cold dissolution in toluene, possibly with the help of ultrasound.
  • the amount of grafted PS is measured by ellipsometry.
  • the grafting of polystyrene on isotropic substrates results in a degenerate conical anchoring of the 5CB nematic, without any memory, very homogeneous and reproducible.
  • the treatment with grafted polystyrene is very stable over time: the grafted molecules do not dissolve in the liquid crystal and remain attached to the surface even after mechanical treatments, for example after unidirectional friction on tissue.
  • the grafting of polystyrene on anisotropic substrates reduces the azimuthal anchoring energy and removes the anchoring memory.
  • anisotropic substrates glass or rubbed ITO, evaporated SiO
  • the inventors observed a continuous variation of the azimuthal anchoring energy between the usual high value for the untreated substrates and the typical degenerate anchoring of the grafted layer. In this way the inventors have succeeded in obtaining almost reproducible, almost degenerate anchors. Similar results have also been obtained by mechanical friction of the already grafted polystyrene layer.
  • a self-lubricating material that is to say without a site capable of adsorbing the liquid crystal, without however comprising fluid or mobile chains for producing the coating of the confinement plate or producing this plate itself directly without any coating.
  • This arrangement is particularly suitable when one of the plates does not have an electrode. An example of such an arrangement will be described later.
  • nematic display devices use only volume effects. In these displays the texture changes are carried out by continuous deformations in the volume and without any reorientation on the surfaces. By their very nature, these devices require strong monostable anchors for their operation. Recently, nematic displays using a break in the anchoring on the surfaces have been proposed and produced. See documents [2- 5], [8], [9]. In these devices, the orientation of the liquid crystal on the surface changes suddenly during the operation of the display, thus making it possible to transform the volume texture and to switch between two bistable textures (ie textures which remain stable for long times without the application of external fields). The main advantages of these devices are their bistability and their switching speed. However, nematic displays with surface bistability also have certain drawbacks: their anchors are more difficult to produce and to control.
  • the display proposed in documents [2-5] requires fairly complex anchors: the two states used are distinguished by both their azimuth and zenith angle (pretilt angle). For the moment these anchors remain difficult to achieve.
  • the device proposed in documents [8] and [9] uses simpler anchors (monostable). But to decrease the duration and the voltage of the control pulses, it requires moderate or weak overhead anchor energies, the production technologies of which are not yet well mastered.
  • the inventors are now proposing new means for producing degenerate (i.e. without azimuthal anchoring energy or surface memory) or almost degenerate (i.e. with low azimuth anchoring energy and without surface memory) anchors. These anchors are easy to produce and control with external electric fields. Their zenith anchoring force is moderate or even weak, and for this reason they can be used in display devices.
  • the switching command for the degenerate anchor displays can be done by a break in the degenerate anchor and then a command for the broken anchor.
  • Another solution is the application of an azimuth torque which rotates the degenerate anchor.
  • the choice of this position is made by chance, due to fluctuations, or can be induced by a weak control effect exerted on the cell.
  • the zenithal energy of such an anchor is shown in Figure 5.
  • the same figure 5 can also be interpreted as the zenith part of a degenerate anchor, which by definition has zero azimuthal energy (the two branches ⁇ > 0 and ⁇ ⁇ 0 correspond in this case to the same zenith angle ⁇ and to two angles azimuths which differ by 180 °).
  • the anchoring obtained by this superposition is called "almost degenerate anchoring" in the context of the present patent application.
  • the azimuthal energy of the anchor is zero (or very weak), but the zenithal energy is arbitrary and can be strong. In practice, these anchors are less anisotropic than monostable anchors and their zenith anchor is usually moderate or weak. I-2) Control of the broken anchor. Different means can be used to control the broken anchor.
  • this control is ensured by a hydrodynamic surface flow.
  • a hydrodynamic surface flow Such a control by hydrodynamic surface effect can be in accordance with the provisions described in documents [8] and [9] to which reference will usefully be made for a good understanding of the present invention.
  • the plate 1 has a conventional monostable and strong anchoring, preferably with a pretilt ( ⁇ o ⁇ ⁇ 90 °).
  • the blade 2 has a degenerate conical or planar anchoring ( ⁇ o 2 ⁇ 0, ⁇ o 2 arbitrary) in accordance with the present invention.
  • E c ⁇ >E> E C 2 perpendicular to the plates 1 and 2 the anchoring on the blade 2 with degenerate anchoring breaks and the practically homeotropic texture of FIG. 6b is obtained.
  • E c ⁇ and E c2 correspond to the breaking thresholds respectively on the two plates.
  • the texture of figure 6d can be stable if ⁇ -i and ⁇ 2 are weak.
  • the resulting device thus has bistable properties.
  • a monostable display is therefore obtained, which can be written with very short pulses ( ⁇ i ⁇ I O ⁇ s) and which spontaneously disappears in a much longer time ( ⁇ e > 10ms).
  • ⁇ e can be adjusted within wide limits by modifying the anchors and the thickness of the cell. Of course, other processes can be used to control the broken anchor.
  • the display in Figure 6 can be transformed into a bistable display.
  • the bent state ( Figure 6d) is stable. Indeed, to pass from the bent state in the inclined uniform state (figure 6a) of minimum energy, the texture must pass through the twisted state of 180 ° (figure 6e). This intermediate state forms a barrier which stabilizes the bent state as long as ( ⁇ + ⁇ 2 ) / 2 ⁇ c .
  • the critical angle ⁇ c varies from about 45 ° for compounds - whose torsional energy is very low, to 90 ° (flexed state always stable) for compounds whose elastic energies of bending and twisting are equal.
  • FIG. 7 is illustrated a planar anchoring on the blade 1.
  • this anchoring on the blade 1 could be oblique.
  • I.2 b Control of the broken anchor by the superimposition of them hydrodynamic effects - of volume and surface.
  • the flows created by the two hydrodynamic effects, surface and volume, are in the same direction and therefore they are added: in practice, the broken surface is controlled by the superposition of the two effects.
  • the inventors produced several cells with degenerate or almost degenerate anchors.
  • a first type of cell uses a slide covered with a thin layer of GLYMO (with a thickness of the order of 100A) on a transparent ITO electrode, which gives a degenerate planar anchoring of the 5CB nematic.
  • GLYMO is chemically grafted onto the surface and is crosslinked to form a stable and insoluble layer in the liquid crystal.
  • the other plate in the cell is always treated by evaporation of SiO (82 °, 105 nm, strong anchoring, monostable, inclined at ⁇ 10 of the order of 55 °).
  • the thickness of the cells was between 1 ⁇ m and 4 ⁇ m. After filling, the cells still show a flat texture, without any twisting.
  • FIG. 9 is the recording of the optical transmission of the cell between crossed polarizers following the application of a control pulse 30. We have added in FIG. 9 the correspondences with the states explained with reference to FIG. 6. We note that the maximum transmission is obtained for state 6e. On this cell, whose optical response is not optimized, the inventors have measured a contrast better than 100: 1.
  • the inventors By applying short electrical pulses, the inventors observed a transition of the cells in the "registered" state, twisted at 180 °.
  • the inscription thresholds E c ( ⁇ ) measured for these cells are presented in FIG. 11.
  • FIG. 12 is presented the breaking threshold of the anchoring of the 5CB as a function of the duration of the pulse for a treatment of polystyrene grafted on the ITO.
  • the same threshold was also obtained for the almost degenerate anchors obtained by mechanical friction of the grafted polystyrene layer.
  • the time ⁇ e is an important characteristic of the monostable display (which disappears spontaneously) and it must be adjusted according to the refresh rate. This time depends on several parameters: cell thickness, geometry of the anchors, duration and voltage of the control pulse.
  • ⁇ e is presented as a function of the square of the thickness of cell "d" for different samples, containing the nematic 5CB.
  • the degenerate anchor blade 2 is always covered by polyisoprene (degenerate conical anchor without any memory).
  • Two types of counter-blades 1 were used: monostable planar anchoring on rubbed polyimide (curve a) and inclined monostable anchoring on evaporated SiO (curve b).
  • the dependence of ⁇ e on d 2 is well known to those skilled in the art: it can be deduced from the condition of equilibrium between the elastic torque of volume torsion which forces the director to turn on the anchoring cone , and the viscous couple that opposes it.
  • 5CB polyisoprene plate 2, 1 oblique SiO counter blade, thickness 2.3 ⁇ m
  • pulses close to the break point for example in the form of pulses of fixed duration and of amplitude between U c and U c -20% or of pulses of amplitude fixed and of duration between ⁇ c and ⁇ c -20% ( ⁇ c representing the pulse duration required to break the anchor for a given amplitude, see for example Figures 11 and 12).
  • FIG. 15 gives the optical signal as a function of time for refresh pulses of fixed repetition frequency and different amplitudes of these pulses.
  • the inventors have shown that the device operates in the rms mode: the average optical signal is a function of the average of the square of the applied voltage.
  • Figure 16 shows the average light intensity as a function of the voltage rms (square root of the mean of the square of the voltage). We can see that the voltage threshold is steep. The ratio M between the voltage giving a light intensity of 90% and that giving 10% is close of 1.025. This makes it possible to produce a screen whose number of lines is given by the formula of Alt and Pleshko [11]:
  • the inventors also studied the almost degenerate anchors, obtained by superposition of a conical or planar degenerate anchor (polyisoprene, polystyrene or GLYMO layer) with a weak monostable alignment (friction of the blade before or after deposition of the layer degenerate anchoring, deposit of this layer on evaporated SiO or another equivalent anisotropic surface).
  • these anchors are symmetrical, bistable anchors, with very low azimuthal anchoring energy.
  • the anisotropy can be induced by irradiation using a beam of polarized ultraviolet or visible light.
  • the almost degenerate anchors break and the cell registers, giving the texture illustrated in FIG. 6e.
  • the breakpoints are the same as for the corresponding degenerate anchors.
  • the inscribed texture does not, however, spontaneously disappear by sliding the anchor, and remains stable over the seconds scale. At longer times, the cell is erased by movement of the faults.
  • the display proposed in the context of the present invention has the following characteristics:
  • the degenerate anchoring plate becomes the master plate, that is to say that it will create the hydrodynamic flow of volume and surface which gives the state bent in the case of the inscription or the elastic interaction which creates the uniform state of FIG. 6a in the case of the erasure.
  • the applied field is normal to the blades and the high electric torque breaks the __ zenithal anchoring of the degenerate azimuthal anchoring blade.
  • a new volume texture is produced, which in the case of the monostable returns to the initial texture by azimuthal rotation of the molecules on the degenerate anchor plate.
  • an azimuth torque applied in the cell produces an azimuthal rotation. No anchoring break occurs in this case: the degenerate azimuth anchoring freely reorients under such a torque and the texture of the cell changes in a progressive and reversible manner since by definition the breaking threshold of the azimuth anchoring degenerate is zero.
  • the two electrodes are arranged on the same blade, for example the blade 1 in FIG. 17; they are parallel to the y axis and distant from L.
  • the electric field is in the plane of the cell parallel to the x axis.
  • the anchoring is traditional, monostable, planar or inclined with an azimuth angle ⁇ 1 relative to the x axis (fig. 17). The distance between the blades is d.
  • U2 is the Frederiksz threshold in torsion geometry [document 10], around 0.5V for the 5CB.
  • ⁇ (z) varies in volume (fig. 18, curve b), but remains unchanged on both surfaces.
  • the inventors have produced several cells with a horizontal field between a blade 1 of strong planar anchoring (oblique evaporation of SiO) and a blade 2 of degenerate conical anchoring (grafted polystyrene).
  • the two transparent ITO electrodes were placed on slide 2 and separated by 100 ⁇ m.
  • the duration of the control pulses was chosen to be 40 ms, compatible with the duration of the video image.
  • fig. 20a is presented the optical response of such a cell (d
  • the liquid crystal between the plates is a chiralise or cholesteric nematic with a pitch P relatively large compared to the wavelength of visible light.
  • the degenerate conical or planar anchoring on the blade 2 distinguishes the proposed device from the monostable homeotropic anchoring devices already proposed in documents [16] and [17]. Those skilled in the art know that without external constraint, imposed by a field or by the edges, the cholesteric rolls up in a helix.
  • Ki elastic constant of the fan deformation of the liquid crystal
  • K elastic constant of the torsion
  • K 3 elastic constant of bending.
  • the coupling between ⁇ and ⁇ plays the role of a torque "converter". It transforms the overhead couples, created directly by the vertical field, into azimuthal couples. Thus, thanks to the free azimuth anchoring on the plate 2, the angle ⁇ 2 changes under the action of the field (fig. 21 b, we assume in this figure ⁇ > 0). Between crossed polarizers a change in the transmitted intensity is obtained. If P and ⁇ are large, the texture is almost planar, we work in the waveguide regime and at the cell output the polarization is more or less rotated, depending on the field applied.
  • the proposed device has many advantages compared to devices based on traditional anchors. Compared to horizontal field displays, these advantages are:
  • the inventors produced several cells between two glass slides, with transparent ITO electrodes on the internal surfaces of the slides.
  • the anchoring is traditional and monostable on the blade 1 and conical or planar degenerate on the blade 2.
  • the nematic 5CB is chiralized to obtain a spontaneous torsion, with a pitch P much greater than the wavelength.
  • the anchoring is oblique monostable (SiO) on slide 1 and degenerate conical (grafted polystyrene) on slide 2.
  • the torsion in the cell varies between -270 ° without field and -160 ° under strong field. This strong twist ensures a wide angle of view, comparable to supertwisted displays.
  • the response times are compatible with the frequency of the video image and the contrast (not optimized) is approximately 20.
  • Figure 24 we present the optical response of a long-pitch cell (P ⁇ 13 ⁇ m), which works in the waveguide regime and which has better colorimetry.
  • This cell has a thickness of ⁇ 3.7 ⁇ m, monostable planar anchoring (SiO) on blade 1 and degenerate planar anchoring (treatment by Glymo) on blade 2.
  • SiO monostable planar anchoring
  • Glymo degenerate planar anchoring

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif d'affichage à cristaux liquides comprenant un matériau cristal liquide pris en sandwich entre deux plaques de confinement (1, 2), caractérisé par le fait que l'une au moins des plaques (2) est munie d'un traitement qui définit un ancrage azimutal sans mémoire orientationnelle, dégénéré ou presque dégénéré.

Description

DISPOSITIF A CRISTAUX LIQUIDES COMPRENANT DES MOYENS
D'ANCRAGE SUR AU MOINS UNE PLAQUE
DE CONFINEMENT DONNANT UNE ORIENTATION DEGENEREE
La présente invention concerne le domaine des dispositifs d'affichage à cristaux liquides.
La présente invention est le résultat d'une collaboration entre le CNRS, l'Université de Paris-Sud et l'Institut Curie.
ETAT DE LA TECHNIQUE II est bien connu de l'homme de l'art que les molécules des nématiques et des cristaux liquides en général au contact avec une surface limitrophe s'orientent suivant une ou plusieurs directions, grâce à l'interaction avec le substrat.
Par exemple, sur une surface solide frottée dans une direction, les molécules mesogenes s'orientent généralement dans une direction proche de la direction du frottement. Cette orientation, dite monostable, est caractérisée par une seule direction "facile" pour le nématique, définie habituellement par les angles θo et φ0 (voir figure 1 ) : l'angle zénithal θo, entre l'axe facile f et la normale z au substrat ; et l'angle azimutal φo entre l'axe facile f et une direction fixe choisie dans le plan du substrat.
L'axe facile f correspond à un minimum de l'énergie d'interaction du nématique avec la phase limitrophe.
En appliquant un champ extérieur on peut réorienter le nématique sur la surface. L'énergie de surface augmente et cette énergie supplémentaire, due à la déviation du directeur de surface ns par rapport à l'axe facile f, est appelée énergie d'ancrage W et elle est une fonction des angles θ et φ qui définissent ns :
W = W(θ,φ)
Dans le cas d'ancrage monostable, l'énergie d'ancrage W a un seul minimum, qui correspond à un seul axe facile (généralement, on ne fait pas la différence entre la direction ns et la direction opposée -ns, parce que la phase nématique est non-polaire). Un grand nombre de traitements (voir [1 ]) donnent cet ancrage simple, qui est très largement utilisé dans les dispositifs d'affichage à cristaux liquides.
Il existe pourtant des ancrages avec plusieurs minimums d'énergie W et donc avec plusieurs directions faciles. Par exemple, sur des couches de SiO évaporées sous vide dans certaines conditions, l'orientation des nématiques est bistable, avec deux directions faciles f1 et f2 (voir figure 2) définies par Θ02 = Θ01 et φ02 = - φoi- Plusieurs dispositifs ont été proposés et réalisés, utilisant les ancrages bistables des nématiques. Voir documents [2-5], Une autre classe d'ancrages bien connu sont les ancrages dégénérés. Dans ce cas, il existe tout un continuum de directions faciles, qui correspondent au même angle zénithal θo et à un angle azimutal arbitraire. L'énergie d'ancrage dans ce cas est une fonction seulement de θ et ne dépend pas de φ : W = W(Θ)
On peut dire dans ce cas que l'ancrage azimutal n'existe pas ou qu'il est infiniment mou.
Suivant la valeur de θo on peut distinguer l'ancrage dégénéré planaire (θo "= 90°), avec ns parallèle à la surface, ou l'ancrage conique dégénéré (0<θ0<90°), avec ns qui peut tourner sur un cône d'ouverture 2Θ0 (voir figure 3). Un autre cas particulier correspond à θo=0 (ancrage homéotrope), qui donne en effet un ancrage monostable, avec les molécules perpendiculaires à la surface (φ n'est pas défini quand θ=0).
Les ancrages dégénérés sont typiques sur une interface plane entre le nématique et une phase isotrope. En effet, rien n'impose dans ce cas une direction azimutale et par symétrie le minimum d'énergie d'ancrage est réalisé pour tous les angles φ possibles (0<φ<360°).
Expérimentalement, l'ancrage dégénéré a été souvent observé sur les surfaces libres des gouttes nématiques ou sur les interfaces nématique - liquide. Ce type d'ancrage a été étudié du point de vue académique, mais n'a trouvé pour l'instant aucune application, en raison de sa nature instable : l'interface liquide-liquide ou liquide-gaz est très facile à déformer, elle crée facilement des défauts et il est difficile d'appliquer un champ électrique à travers cette interface.
On trouvera des exposés sur l'état de l'art relatif aux ancrages dégénérés dans le document [6]. BASE DE L'INVENTION
Il résulte des études conduites par les inventeurs qu'en principe, un ancrage dégénéré peut être obtenu sur toutes les surfaces solides isotropes, par exemple verres minéraux ou organiques, mais qu'en réalité, cet ancrage est rarement observé, parce que deux phénomènes principaux interviennent.
Le premier de ces phénomènes identifié par les inventeurs correspond à une adsorption des molécules mésogènes sur la surface.
Au premier contact entre le nématique et le substrat, par exemple pendant le remplissage de la cellule, aucune direction azimutale n'est imposée et l'orientation des molécules est définie par le hasard ou par l'écoulement. L'orientation initiale est donc habituellement très inhomogène, avec θ=θo et φ arbitraire, mais avec φ dépendant de la position sur le substrat. Très rapidement, les molécules nématiques en contact direct avec la surface sont adsorbées sur le substrat. Ainsi leur ordre et leurs orientations sont mémorisés sur la surface et imposés aux molécules nématiques qui restent dans le volume à proximité du substrat. Bien que théoriquement l'adsorption soit un processus réversible, en pratique les temps caractéristiques pour la désorption à température ambiante sont très longs (des jours ou même des années). L'orientation de l'échantillon reste donc mal définie, inhomogène et fortement ancrée sur le substrat.
Le second de ces phénomènes identifié par les inventeurs correspond à une orientation du substrat par le nématique.
En effet, dans le cas des substrats relativement mous, par exemple des couches polymères, un second phénomène peut se produire. Même si l'adsorption est faible, l'interaction du substrat avec le nématique peut le rendre anisotrope, par exemple par orientation locale des chaînes polymères. Encore une fois on obtient une mémorisation sur le substrat de l'état initial mal défini et inhomogène, accompagnée aussi par une énergie d'ancrage azimutal qui détruit l'ancrage dégénéré.
Suite à ces deux phénomènes de mémoire orientationnelle, l'ancrage dégénéré sur des surfaces solides semble difficile à produire et à utiliser. Pour cette raison, l'ancrage dégénéré n'a trouvé pour l'instant aucune application.
La présente invention a maintenant pour but de perfectionner les dispositifs à cristaux liquides pour permettre l'exploitation d'un ancrage dégénéré ou presque dégénéré. Plus précisément la présente invention a pour but de proposer de nouveaux moyens permettant d'obtenir des ancrages dégénérés, ou presque dégénérés, et sans mémoire des cristaux liquides sur des substrats solides et permettant l'utilisation de ces ancrages dans des dispositifs d'affichage. Ces buts sont atteints dans le cadre de la présente invention grâce à un dispositif d'affichage à cristaux liquides comprenant un matériau cristal liquide pris en sandwich entre deux plaques de confinement, caractérisé par le fait que l'une au moins des plaques est munie d'un traitement qui définit un ancrage azimutal dégénéré, sans mémoire orientationnelle azimutale. Selon une autre caractéristique de la présente invention, le traitement est un traitement de passivation de la surface de l'une au moins des plaques par inhibition des sites d'adsorption sur cette surface.
Il peut s'agir d'un traitement opérant par saturation des sites d'adsorption. Selon une autre caractéristique avantageuse de la présente invention, le traitement comporte un revêtement comprenant un polymère comportant des chaînes fluides ou très mobiles, ou encore autolubrifiant, c'est-à-dire sans site capable d'adsorber le cristal liquide.
DESCRIPTION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemple non limitatif et sur lesquels : - la figure 1 représente l'orientation azimutale de direction "facile" du directeur nématique par rapport à une plaque de confinement et l'orientation zénithale de la direction facile par rapport à la normale à celle-ci,
- la figure 2 représente l'orientation de deux directions faciles dans le cas d'un ancrage bistable,
- la figure 3 schématise le cas d'un ancrage conique,
- la figure 4 représente l'énergie de l'ancrage zénithal pour un alignement planaire monostable,
- la figure 5 représente l'énergie de l'ancrage zénithal pour un ancrage bistable symétrique ou pour un ancrage conique dégénéré,
- la figure 6 représente la texture du cristal liquide au cours de six étapes successives d'un processus de commutation,
- la figure 7 représente la texture du cristal liquide au cours de quatre étapes successives d'un processus de commutation conforme à une autre variante de la présente invention,
- la figure 8 représente quatre étapes successives d'un autre processus conforme à la présente invention sans cassure de l'ancrage;
- la figure 9 représente la réponse optique entre polariseurs croisés d'une cellule conforme à la présente invention, - la figure 10 représente deux textures plates susceptibles d'être obtenues avec un ancrage planaire sur une contre-lame,
- la figure 11 représente les seuils d'inscription en fonction de la durée des impulsions de commande, mesurés sur une cellule comportant un traitement en polyisoprene, - la figure 12 représente les seuils d'inscription en fonction de la durée des impulsions de commande, mesurés sur une cellule comportant un traitement en polystyrène,
- la figure 13 représente le temps d'effacement spontané d'une cellule en fonction du carré de l'épaisseur de la cellule concernée, - la figure 14 représente différentes courbes illustrant la réponse optique d'une cellule conforme à la présente invention pour des impulsions électriques de commande d'une durée fixe et d'amplitudes différentes, - la figure 15 représente le signal optique en fonction du temps pour des impulsions de rafraîchissement de fréquence de répétition fixe et pour différentes amplitudes de ces impulsions,
- la figure 16 représente l'intensité lumineuse moyenne en fonction de la tension rms,
- la figure 17 illustre une variante selon laquelle les deux électrodes sont disposées sur une même plaque,
- la figure 18 représente l'angle φ(z) pour deux afficheurs, l'un conforme à l'invention, l'autre classique, - la figure 19 illustre la torsion dans une cellule chiralisée,
- la figure 20 représente la réponse optique d'une cellule à champ horizontal,
- la figure 21 représente un dispositif à nématique chiralisé ou cholestérique, - la figure 22 représente la réponse optique de ce dispositif,
- la figure 23 représente la réponse optique pour un dispositif similaire possédant une épaisseur et un pas différent, et
- la figure 24 représente la réponse optique d'une cellule à long pas.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION I - caractéristiques de l'invention relatives à la passivation du substrat par saturation des sites d'adsorption avec des surfactants.
Comme indiqué précédemment, selon une première approche de la présente invention, la mémoire indésirable de la surface d'une plaque de confinement est supprimée grâce à une couche mince d'un surfactant approprié sur le substrat. Le rôle du surfactant est d'occuper les sites d'adsorption disponibles sur la surface et de cette façon de "passiver" le substrat, rendant impossible l'adsorption du cristal liquide lui-même.
Ce matériau de passivation peut être formé de tout surfactant qui réagit fortement avec la surface de la plaque de confinement et qui s'adsorbe facilement sur elle, de préférence d'une façon définitive. De préférence, ce surfactant est en plus adapté pour ne pas intéragir fortement avec le cristal liquide, par exemple ne pas s'orienter facilement par les interactions anisotropes avec les molécules mésogènes. Une fois recouverte par les molécules du surfactant la surface de la plaque de confinement devient inerte : elle n'adsorbe plus les molécules du cristal liquide, et de plus elle ne devient pas anisotrope sous leur action.
Pour un substrat rigide et plat, par exemple verre minéral, une couche monomoléculaire du surfactant est suffisante pour saturer tous les sites d'adsorption disponibles et passiver la surface. Pour un substrat fortement rugueux et poreux, par exemple une couche de SiO évaporée, le film de surfactant est de préférence plus épais pour assurer la passivation. Pour des substrats mous, par exemples des polymères, le matériau de passivation est avantageusement formé d'une couche plus épaisse pour écranter fortement l'interaction substrat - cristal liquide et pour éviter de cette façon l'orientation du polymère et l'hystérésis qui en résulte.
Pour réaliser la passivation de substrats différents par saturation des sites d'adsorption, les inventeurs ont testé notamment plusieurs surfactants appartenant à la famille des silanes organofonctionnels, comportant des groupes chlorosilane (Si-Ci), silanol (Si-OH), ou alkoxysilane (Si-CnH2nOH). Pour s'accrocher sur la surface ces produits présentent la propriété de s'adsorber facilement sur le verre ou sur d'autres substrats et après un traitement thermique de réagir chimiquement avec la surface et entre eux. La couche de surfactant obtenue de cette façon est très solide et impénétrable pour les molécules mésogènes.
Le groupe organofonctionnel est choisi de façon à minimiser l'interaction entre le surfactant et la molécule mésogène, pour éviter les phénomènes de mémoire et d'hystérésis. L'invention n'est cependant pas limitée à la famille des silanes organofonctionnels.
Elle s'étend à tout composé équivalent, c'est à dire tout composé apte à remplir les deux fonctions précitées : a) s'ancrer sur le substrat, b) mais sans interagir avec le matériau cristal liquide, par exemple aux complexes de chrome. On trouvera dans le document [7] des exemples de complexes de chrome aptes à définir un ancrage homéotrope. Les résultats expérimentaux ont démontré que la plupart des silanes testés diminuent la mémoire des substrats sur lesquels ils sont déposés.
Des résultats très intéressants et reproductibles ont notamment été obtenus avec le produit 3-Glyceryloxypropyl Trimethoxysilane (GLYMO). Ce produit a été déposé en couches fines (de 20A à 1000A) sur les substrats à partir d'une solution en isopropanol (de 0,01 % à 0,5%). Les couches ont été cuites pendant une heure à 120°C ou 200°C pour les rendre insolubles dans le cristal liquide. Pour tester l'ancrage les inventeurs ont utilisé le nématique pentylcyanobiphenyl (5CB) à température ambiante. Les cellules de test étaient construites en utilisant deux lames différentes : la plaque testée, traitée en surfactant, et une lame "standard" avec ancrage fort et monostable (SiO évaporé).
Sur tous les substrats isotropes utilisés (verre, verre flotté, Oxyde double d'Indium et d'Etain) les inventeurs ont observé que le dépôt d'une couche de GLYMO plus épaisse qu'environ 100A conduit à un ancrage planaire (θo ≈ 90°) dégénéré sans aucune mémoire orientationnelle : l'orientation du nématique dans la cellule test est uniforme, définie par la lame standard, et sous l'action d'un champ électrique ou magnétique externe cette orientation change d'une façon uniforme et sans mémoire. L'énergie d'ancrage azimutale sur les substrats munis d'une couche de passivation plus épaisse que 100A est strictement égale à zéro. Les couches plus fines que 100A donnent une énergie d'ancrage azimutale très faible, un ancrage moins uniforme et des résultats moins reproductibles. Les inventeurs ont testé aussi l'action des couches de passivation du produit GLYMO sur des substrats anisotropes. Les substrats testés étaient des lames de verre avec des électrodes transparentes d'ITO et une couche fine (5 à 1000Â) de SiO, évaporée dans le vide sous angle rasant (75°). Sans couche de passivation l'orientation du nématique 5CB sur ces substrats est suivant les conditions d'évaporation, planaire monostable, bistable inclinée et monostable inclinée. Dans tous les cas, les substrats montrent une très forte mémoire de l'orientation initiale du nématique, due à la forte adsorption des molécules mésogènes sur la couche poreuse et polaire de SiO.
Après l'application d'une couche fine (> 20A) de passivation, la mémoire orientationnelle disparaît presque complètement. Sur tous les substrats l'alignement du 5CB sur les couches de passivation est planaire (sans pretilt) monostable, dans une direction perpendiculaire au plan d'évaporation. L'énergie de l'ancrage azimutal est très forte pour les couches les plus fines, avec une longueur d'extrapolation L<4θA. Cette énergie d'ancrage faiblit progressivement quand l'épaisseur d du film GLYMO augmente et pour d > 200A, L diverge et l'ancrage devient planaire dégénéré.
Selon une caractéristique avantageuse de la présente invention, l'épaisseur de la couche de passivation est de préférence comprise entre 20 A et 500 A. Des résultats similaires ont été obtenus en passivant avec une couche de GLYMO des substrats de verre ou d'ITO, rendus anisotropes par frottement. Sans passivation, ces substrats alignent le 5CB d'une façon planaire monostable, avec un ancrage azimutal fort et une mémoire de surface très importante. En déposant une couche de GLYMO sur les substrats, les inventeurs ont observé une disparition complète de la mémoire et un affaiblissement de la force d'ancrage. A nouveau, l'énergie d'ancrage diminue progressivement quand d augmente et à d > 200A elle s'annule complètement : l'ancrage devient planaire dégénéré, avec une mémoire négligeable. Des résultats similaires ont également été obtenus avec un frottement unidirectionnel de la couche de GLYMO déposée préalablement sur un substrat isotrope.
Ces résultats confirment que la mémoire orientationnelle d'une plaque de confinement peut être supprimée par un traitement de surfactant approprié, qui sature les sites d'adsorption disponibles sur le substrat. Deux objectifs différents sont atteints par ce traitement : a) diminuer fortement ou supprimer complètement la mémoire de surface sur des substrats isotropes. Les ancrages planaires ou coniques dégénérés qui en résultent sont très homogènes, faciles à utiliser et sans hystérésis orientationnel. b) sur des substrats anisotropes ce traitement permet aussi de modifier la force d'ancrage azimutale. Ainsi la force des ancrages monostables ou bistables peut être diminuée, les rendant presque dégénérés, avec un seuil de cassure de l'ancrage azimutal très bas.
Selon une autre variante conforme à la présente invention, le traitement de passivation peut être formé du dépôt d'un revêtement suffisamment épais pour interdire l'accès aux sites d'adsorption formés sur le substrat, par les molécules de cristal liquide, sans que pour autant le revêtement ne sature chacun de ces sites. Il - Caractéristiques de l'invention relatives à la "lubrification" de l'ancrage azimutal sur les surfaces par des couches polymères avec des chaînes fluides ou très mobiles
La présente invention propose également pour éviter l'hystérésis de surface, d'appliquer sur le substrat une couche liquide ou vitreuse isotrope, dont les molécules peuvent non seulement inhiber les sites d'adsorption sur le substrat comme indiqué précédemment, mais en outre peuvent facilement se réorienter ou se déformer de sorte que la plaque de confinement ainsi traitée perde toute la mémoire de l'orientation précédente. Cette couche joue le rôle d'un lubrifiant orientationnel : elle permet à l'orientation du directeur nématique ns sur la surface de glisser sur le substrat sans aucune friction, ni hystérésis. Il faut noter que dans ce cas il n'est pas gênant que les molécules mésogènes s'adsorbent sur la couche lubrifiante : quand on applique un couple sur ns, les molécules adsorbées vont facilement se réorienter sans désorption, grâce à la déformation et à la réorientation des molécules "molles" de la couche lubrifiante. Un tel produit "lubrifiant d'ancrage" peut être formé de polymères qui sont en phase liquide en température ambiante (ou plus précisément, dans tout le domaine de stabilité thermique de la phase mésogène utilisée). Dans ce cas, il est nécessaire de greffer la couche lubrifiante sur le substrat pour accrocher fortement ses molécules et éviter leur solution ou diffusion dans le cristal liquide. Les couches ainsi préparées sont à la fois très stables du point de vue macroscopique et très mobiles au niveau moléculaire. Alternativement, il est aussi possible d'utiliser comme lubrifiants d'ancrage des polymères solides, dans leur état vitreux, à condition que leurs chaînes soient assez mobiles et leur viscosité soit modérée. Cette condition est facile à satisfaire si le polymère est proche de son point de fusion à la température ambiante.
Les inventeurs ont notamment testé plusieurs polymères liquides de la famille des siloxanes et des polymères vitreux, avec une température de fusion proche de l'ambiante (par exemple le polyisoprene et le polybutadiene). Ces produits présentent une grande mobilité de leurs chaînes. Deux nématiques à température ambiante ont été utilisés dans cette étude : le 5CB et le mélange nématique MLC 6012 (Merck). Tous les produits, déposés en couches fines sur les substrats, ont donné des ancrages dégénérés des deux nématiques étudiés et sans aucune mémoire orientationnelle.
Nous allons décrire un résultat typique, obtenu avec le polymère polyisoprene qui est vitreux à l'ambiante. Une fine couche uniforme (< 300A) est déposée à la tournette à partir d'une solution (0.3 à 3%) en cyclohexane. La couche est utilisée sans aucun traitement thermique pour éviter le passage du polymère en phase liquide, qui détruirait l'uniformité du film. A long terme (des jours) les inventeurs ont observé des phénomènes de transport du polyisoprene de la lame étudiée vers la lame standard, utilisée dans les cellules de test. Pour cette raison, les inventeurs ont utilisé des lames standards dont l'ancrage n'est pas sensible à la migration lente des molécules du polyisoprene : des couches de polyimide frotté, qui donnent un ancrage fort monostable, planaire ou incliné.
Les couches polyisoprene déposées sur des substrats isotropes (verre ordinaire, verre flotté, électrode transparente d'ITO sur verre) donnent une excellente orientation dégénérée des nématiques étudiés. Aucune mémoire de l'ancrage n'a été détectée dans les cellules de test : l'orientation de l'axe facile sur le polyisoprene reste toujours dans le même plan, que sur la lame standard. Sous l'action des champs extérieurs, l'axe facile sur la lame étudiée se réoriente d'une façon uniforme sans hystérésis et sans aucune énergie d'ancrage azimutal.
Quand les couches de polyisoprene sont déposées sur des substrats anisotropes (verre ou ITO frotté, SiO évaporé), qui donnent d'habitude un fort ancrage monostable, l'énergie d'ancrage azimutale diminue. En changeant l'épaisseur de la couche déposée, les inventeurs ont observé une transition progressive entre l'ancrage fort monostable du substrat et l'ancrage dégénéré typique pour la couche polyisoprene. Ceci s'accompagne aussi d'une complète disparition de la mémoire orientationnelle.
Finalement, l'angle zénithal θ0 de l'ancrage dégénéré sur le polyisoprene dépend de la nature du substrat et du nématique. Pour le mélange nématique MLC 6012 (Merck), l'ancrage est toujours planaire dégénéré (θo = 90°). Pour le 5CB, l'ancrage est planaire dégénéré pour polyisoprene déposé sur SiO évaporé, tandis qu'il est conique dégénéré (θo proche de 55°, l'angle "magique") si le film de polyisoprene est déposé directement sur le verre.
Des .résultats très similaires ont été obtenus par greffage sur les substrats du polystyrène terminé par un groupe chlorosilane, qui était synthétisé spécialement pour cette étude. Le polystyrène utilisé pour modifier les surfaces (appelé par la suite PS fonctionnel) a été synthétisé par voie anionique selon une méthode classique, de façon à obtenir des chaînes de polymère terminées à une seule extrémité par SiCI3. La masse moléculaire du PS fonctionnel est typiquement de 40 OOOg/mol mais peut être variée de 1 000 à 106 g/mol.
Pour greffer le polymère, on prépare d'abord une solution de PS fonctionnel dans du toluène anhydre, à une fraction volumique de l'ordre de 5%. Les surfaces à greffer sont nettoyées dans un courant d'oxygène, sous UV. La solution de PS fonctionnel est déposée sur ces surfaces propres à la tournette. Après évaporation du toluène, les surfaces recouvertes de PS fonctionnel sont mises à l'étuve sous vide, pendant 24 heures typiquement, à une température de 160°C. L'excès de polymère fonctionnel est ensuite enlevé par dissolution à froid dans du toluène, éventuellement avec l'aide d'ultrasons. La quantité de PS greffé est mesurée par ellipsométrie.
Le greffage du polystyrène sur des substrats isotropes (verre ou ITO) résulte en un ancrage conique dégénéré du nématique 5CB, sans aucune mémoire, très homogène et reproductible. En plus, le traitement par polystyrène greffé est très stable dans le temps : les molécules greffées ne se dissolvent pas dans le cristal liquide et restent accrochées sur la surface même après des traitements mécaniques, par exemple après un frottement unidirectionnel sur tissu.
Le greffage du polystyrène sur des substrats anisotropes (verre ou ITO frotté, SiO évaporé) diminue l'énergie d'ancrage azimutal et supprime la mémoire d'ancrage. En variant l'anisotropie initiale du substrat ou la densité du greffage, les inventeurs ont observé une variation continue de l'énergie d'ancrage azimutal entre la valeur forte habituelle pour les substrats non traités et l'ancrage typique dégénéré de la couche greffée. De cette façon les inventeurs ont réussi à obtenir des ancrages presque dégénérés très reproductibles. Des résultats similaires ont été obtenus aussi par frottement mécanique de la couche de polystyrène déjà greffée. Selon une variante de réalisation, on peut utiliser un matériau autolubrifiant, c'est-à-dire sans site capable d'adsorber le cristal liquide, sans pour autant comporter des chaînes fluides ou mobiles pour réaliser le revêtement de la plaque de confinement ou réaliser cette plaque elle-même directement sans aucun revêtement. Cette disposition convient particulièrement lorsque l'une des plaques n'a pas d'électrode. On décrira par la suite un exemple d'une telle disposition.
MISE EN ŒUVRE DE L'INVENTION La plupart des dispositifs d'affichage nématiques utilisent seulement des effets de volume. Dans ces afficheurs les changements de texture se réalisent par des déformations continues dans le volume et sans aucune réorientation sur les surfaces. Par leur nature même, ces dispositifs demandent des ancrages forts monostables pour leur fonctionnement. Récemment, des afficheurs nématiques utilisant une cassure de l'ancrage sur les surfaces ont été proposés et réalisés. Voir documents [2- 5], [8], [9]. Dans ces dispositifs, l'orientation du cristal liquide sur la surface change brutalement au cours du fonctionnement de l'afficheur, permettant ainsi de transformer la texture volumique et de commuter entre deux textures bistables (i.e. des textures qui restent stables pour des temps longs sans l'application de champs externes). Les avantages principaux de ces dispositifs sont leur bistabilité et leur rapidité de commutation. Pourtant les afficheurs nématiques à bistabilité de surface présentent aussi certains inconvénients : leurs ancrages sont plus difficiles à réaliser et à contrôler.
L'afficheur proposé dans les documents [2-5] requiert des ancrages assez complexes : les deux états utilisés se distinguent à la fois par leur angle azimutal et zénithal (angle de pretilt). Pour l'instant ces ancrages restent difficiles à réaliser. Le dispositif proposé dans les documents [8] et [9] utilise des ancrages plus simples (monostables). Mais pour diminuer la durée et la tension des impulsions de commande, il exige des énergies d'ancrage zénithal modérées ou faibles, dont les technologies de production ne sont pas encore bien maîtrisées. Les inventeurs proposent maintenant de nouveaux moyens permettant de produire des ancrages dégénérés (i.e. sans énergie d'ancrage azimutale, ni de mémoire de surface) ou presque dégénérés (i.e. avec une faible énergie d'ancrage azimutale et sans mémoire de surface). Ces ancrages sont faciles à produire et à contrôler avec des champs électriques extérieurs. Leur force d'ancrage zénithal est modérée ou même faible, et pour cette raison ils peuvent être utilisés dans les dispositifs d'affichage.
La commande de commutation des afficheurs d'ancrage dégénéré peut se faire par une cassure de l'ancrage dégénéré puis une commande de l'ancrage cassé. Une autre solution est l'application d'un couple azimutal qui fait tourner l'ancrage dégénéré.
I.- Dispositifs avec commutation par cassure de l'ancrage dégénéré ou presque dégénéré. 1-1 ) Cassure de l'ancrage dégénéré.
Pour comprendre la cassure de surface dans le cas d'un ancrage dégénéré, nous allons d'abord rappeler le cas le plus simple de la cassure d'un ancrage monostable. Sur la figure 4 est présentée l'énergie de l'ancrage zénithal, qui correspond à un alignement planaire monostable. En absence de champ extérieur, le directeur ns sur la surface s'oriente suivant le minimum de W(θ), qui correspond a θ = + 90° (ces deux directions sont physiquement équivalentes, pour cette raison on considère l'ancrage comme monostable). Sous champ électrique E, les molécules dans le volume s'orientent le long du champ (en supposant que l'anisotropie diélectrique du cristal liquide Δε est positive). Un couple est exercé sur ns : le nématique se réoriente sur la surface sous l'action du champ. En général, plus fort est le couple extérieur, plus la nouvelle orientation de ns se rapproche de la direction du champ, sans jamais l'atteindre (parce que le couple de rappel dû à l'ancrage de surface s'y oppose). Une exception importante à cette règle est le cas où le champ E est orienté dans la direction qui correspond à un maximum de l'énergie de surface (la direction θ = 0 sur la figure 4). Dans cette direction le couple de rappel, dû à l'ancrage, s'annule et ne peut pas s'opposer au champ E : πs devient donc parallèle à E quand le champ est assez fort, supérieur à une valeur seuil Ec.
Si on coupe maintenant le champ, la surface se trouve à θ = 0 dans un équilibre instable et peut revenir dans l'une ou l'autre des positions d'équilibre stable (θ = ± 90°). Le choix de cette position se fait par hasard, dû aux fluctuations, ou peut être induit par un faible effet de commande exercé sur la cellule.
En pratique, la seule direction sur laquelle il est facile d'appliquer un fort champ E est la normale aux plaques. La cassure d'ancrage déjà décrite est donc possible, par symétrie, seulement pour des ancrages planaires, ou pour d'autres ancrages symétriques par rapport à θ = 0.
L'énergie zénithale d'un tel ancrage, l'ancrage bistable symétrique, est présentée sur la figure 5. Cet ancrage peut être cassé par un champ normal à la cellule dans deux directions différentes : θ = 0, si Δε>0 ; θ=±90°, si Δε<0. La même figure 5 peut également être interprétée comme la partie zénithale d'un ancrage dégénéré, qui par définition a une énergie azimutale nulle (les deux branches θ>0 et θ<0 correspondent dans ce cas au même angle zénithal θ et à deux angles azimutaux qui diffèrent de 180°). Pour cet ancrage conique dégénéré restent valables les mêmes conclusions, que pour l'ancrage conique bistable : il casse à θ=0 ou à θ=90° (et φ arbitraire).
Dans le cadre de l'invention on peut considérer les ancrages symétriques bistables comme des ancrages très proches de l'ancrage dégénéré : l'énergie de l'ancrage dégénéré W(θ) a une symétrie cylindrique et elle est une fonction de θ seulement ; si on superpose à cette énergie une faible énergie azimutale Wφ(φ), symétrique par rapport à φ=0, on obtient l'ancrage symétrique bistable. L'ancrage obtenu par cette superposition est appelé "ancrage presque dégénéré" dans le cadre de la présente demande de brevet.
Un cas particulier de l'ancrage presque dégénéré est obtenu si on part d'un ancrage planaire dégénéré (θo=90°) : c'est un ancrage planaire avec une très faible énergie azimutale.
Dans le cas des ancrages dégénérés (ou presque dégénérés) l'énergie azimutale de l'ancrage est nulle (ou très faible), mais l'énergie zénithale est arbitraire et peut être forte. En pratique, ces ancrages sont moins anisotropes que les ancrages monostables et leur ancrage zénithal est d'habitude modéré ou faible. I-2) Commande de l'ancrage cassé. Différents moyens peuvent être utilisés pour assurer la commande de l'ancrage cassé.
Selon un mode de réalisation préférentiel cette commande est assurée par un écoulement hydrodynamique de surface. Une telle commande par effet hydrodynamique de surface peut être conforme aux dispositions décrites dans les documents [8] et [9] auxquels on se reportera utilement pour une bonne compréhension de la présente invention. Nous allons d'abord considérer la cellule présentée sur la figure 6a. La plaque 1 a un ancrage classique monostable et fort, de préférence avec un pretilt (θoι<90°). La lame 2 a un ancrage conique ou planaire dégénéré (θo2≠0, φo2 arbitraire) conforme à la présente invention. L'énergie élastique de volume se minimise pour la texture plane avec φ2=180°, présentée sur la figure 6a.
Si on applique un champ électrique Ecι>E>EC2 perpendiculaire aux plaques 1 et 2, l'ancrage sur la lame 2 à ancrage dégénéré casse et on obtient la texture pratiquement homéotrope de la figure 6b. Ecι et Ec2 correspondent aux seuils de cassure respectivement sur les deux plaques.
Si on coupe brusquement le champ E, la lame 2 se trouve dans un équilibre instable, sans aucun couple appliqué sur elle. La lame 1 , par contre, est en déséquilibre et un fort couple de rappel, dû à l'ancrage, agit sur les molécules à sa proximité, les obligeant à revenir vers leur orientation initiale. Ce retour crée un écoulement de masse, qui diffuse rapidement dans la cellule jusqu'à la lame 2 (figure 6c). Par l'interaction avec cet écoulement, les molécules sur la lame 2 partent dans la direction opposée à leur orientation initiale (φ2=0, figure 6c).
Dès que θ≠O, le couple de rappel dû à l'ancrage zénithal de la lame 2 réapparaît et accélère la relaxation de la lame 2 vers l'état θ2=θ2o, 92=0 (figure 6d). Cette texture (figure 6d), réalisée rapidement (quelques dizaines de microsecondes) après la fin de l'impulsion de commande, est différente de la texture initiale - l'afficheur est inscrit.
La texture inscrite conforme à la figure 6d, pourtant, n'est pas stable si Θ1 et θ2 sont suffisamment grands, car elle présente une énergie élastique de flexion importante. Spontanément après quelques millisecondes, elle relaxe vers une texture en hélice conique en volume sans changer les ancrages en surface (fig 6e). Cette torsion en volume applique un couple azimutal sur l'ancrage dégénéré de la plaque 2 qui fait tourner le directeur sur le cône d'ancrage (fig 6f) et finalement le fait revenir à la position d'équilibre φ = 180° en déroulant l'hélice conique (fig 6a). Le mouvement sur le cône est ralenti par la viscosité de surface et dure quelques dizaines de millisecondes.
En revanche, la texture de la figure 6d peut être stable si θ-i et Θ2 sont faibles. Le dispositif résultant présente ainsi des propriétés bistables. On obtient donc un afficheur monostable, qui peut être inscrit avec des impulsions très courtes (τi≤I Oμs) et qui s'efface spontanément dans un temps beaucoup plus long (τe >10ms). En plus, selon l'application, τe peut être ajusté dans des larges limites par modification des ancrages et de l'épaisseur de la cellule. Bien entendu d'autres processus peuvent être utilisés pour assurer la commande de l'ancrage cassé.
Si nécessaire, l'afficheur de la figure 6 peut être transformé en afficheur bistable. D'une part, si l'angle moyen de l'inclinaison des molécules (Θ1+Θ2V2 est inférieur à une valeur critique θc, l'état fléchi (figure 6d) est stable. En effet, pour passer de l'état fléchi à l'état uniforme incliné (figure 6a) d'énergie minimum, la texture doit passer par l'état tordu de 180° (figure 6e). Cet état intermédiaire forme une barrière qui stabilise l'état fléchi tant que (Θι+θ2)/2<θc. L'angle critique Θc varie d'environ 45° pour les composés- dont l'énergie de torsion est très faible, à 90° (état fléchi toujours stable) pour les composés dont les énergies élastiques de flexion et de torsion sont égales.
D'autre part, il suffit de remplacer l'ancrage sur la lame 2 par un ancrage presque dégénéré. Dans ce cas seulement les positions φ2=0 et φ2=180° sur le cône 02=020 sont stables et une faible barrière due à l'ancrage azimutal Wφ les sépare. La texture 6d se transforme alors en une texture conique tordue, qui reste stable si la barrière d'ancrage Wφ est plus grande que l'énergie volumique de torsion. On obtient donc un afficheur bistable. Pour effacer la texture tordue il suffit d'appliquer une nouvelle impulsion et de couper cette fois progressivement le champ. L'interaction hydrodynamique est maintenant absente et une faible interaction élastique de volume favorise le retour dans l'état "uniforme" de la figure 6a : l'afficheur est effacé. Bien entendu la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation particulier qui vient d'être décrit, mais s'étend à toute variante conforme à son esprit.
En particulier dans le cadre de la présente invention, on peut envisager :
- une commande de l'ancrage cassé par un effet hydrodynamique de volume,
- une commande de l'ancrage cassé par la superposition de deux effets hydrodynamiques - de volume et de surface, - une commutation sans cassure complète de la surface par rotation du directeur sur le cône de l'ancrage dégénéré.
Selon encore une autre variante, on peut envisager de casser l'ancrage sur les deux plaques (Dans le cas d'un cristal liquide d'anisotropie diélectrique positive, on obtient alors sous champ un état uniforme homéotrope, respectivement planaire pour un anisotropie négative). Sans contrôle complémentaire après suppression du champ, l'état final peut être aléatoire. Mais si cela est souhaité, on peut contrôler l'état final de la structure avec une commande complémentaire, telle qu'un champ électrique ou un écoulement d'orientation adéquate, par exemple horizontal. I.2 a) Commande de l'ancrage cassé par un effet hydrodynamique de volume.
L'effet hydrodynamique précédemment décrit (fig 6c) est créé par le retour rapide des molécules sur la lame 1 vers leur orientation initiale, sous l'action du couple d'ancrage sur cette surface. Si l'ancrage sur la lame 1 est très fort, pendant l'impulsion de commande, les molécules près de cette surface ne changent pas leur orientation et on obtient la texture de la figure 7b : la texture est homéotrope partout, sauf dans une mince couche volumique au voisinage de la lame 1. Après la coupure du champ les molécules sur la surface 1 ne se réorientent pas et donc, il n'y a pas un effet hydrodynamique de surface. Néanmoins, la relaxation de la couche volumique fortement déformée vers une texture plus homogène, crée un écoulement hydrodynamique de volume (figure 7c), connu comme effet "blackfiow" (voir document [10]). Cet écoulement diffuse vers la lame 2 et commande l'ancrage cassé sur cette lame, exactement de la même façon que dans le cas d'un effet hydrodynamique de surface.
On obtient alors un état équivalent à celui illustré sur les figures 6d et 7d, c'est à dire soit un état stable si θ-i et Θ2 sont faibles, soit un état qui évolue vers les états illustrés sur les figures 7e et 7f.
Sur la figure 7 on a illustré un ancrage planaire sur la lame 1. Cependant en variante cet ancrage sur la lame 1 pourrait être oblique. I.2 b) Commande de l'ancrage cassé par la superposition de d eux effets hydrodynamiques - de volume et de surface. Finalement, les écoulements créés par les deux effets hydrodynamiques, de surface et de volume, sont dans la même direction et donc ils s'ajoutent : en pratique, la surface cassée est commandée par la superposition des deux effets. I.2 c) Commutation sans cassure complète de la surface par rotation du directeur sur le cône de l'ancrage dégénéré.
La commutation décrite sur la figure 6 nécessite une cassure complète de l'ancrage zénithal : sous champ électrique E > EC2 , les molécules au voisinage de la lame 2 sont alignées exactement parallèles à sa normale. Pourtant, les ancrages dégénérés sont très anisotropes : le seuil de cassure Ec2 de l'ancrage zénithal est fini, mais l'ancrage azimuthal est infiniment mou et le seuil de cassure correspondant est strictement zéro (ou très bas pour les ancrages presque dégénérés). Cette anisotropie permet de commuter facilement de la texture illustrée sur la figure 6a vers la texture illustrée sur la figure 6d sans passer par la normale à la plaque, mais en tournant autour d'elle sur le cône de l'ancrage dégénéré, ou sur un cône plus proche de la normale (figure 8). Sous champ électrique plus bas que le seuil de cassure (E < Ec2) les molécules sur la lame 2 restent à un angle fini par rapport à la normale (figure 8b). A la coupure du champ, l'écoulement hydrodynamique créé par l'autre lame et la couche volumique déformée, entrainent le directeur vers φ = 0. Les molécules tournent maintenant (figure 8c) autour de la normale (à gauche ou à droite par hasard), en restant presque au même angle zénithal θ2. Sous l'action superposée de l'écoulement et de l'ancrage zénithal (qui les tire vers θ2 = Θ20) le système relaxe vers la texture (8d), identique à celle des figures 6d et 7d. Pour un ancrage dégénéré, seul un faible couple de torsion élastique s'oppose à la commutation. Pour un ancrage presque dégénéré, un faible couple d'ancrage azimuthal s'y ajoute. Dans les deux cas pourtant, la commutation est beaucoup plus efficace que dans le cas de cassure complète de l'ancrage zénithal. 1.3 - RESULTATS EXPERIMENTAUX
Pour étudier le fonctionnement du dispositif proposé, les inventeurs ont réalisé plusieurs cellules avec des ancrages dégénérés ou presque dégénérés.
Un premier type de cellules utilise une lame recouverte avec une fine couche de GLYMO (avec une épaisseur de l'ordre de 100A) sur une électrode transparente d'ITO, qui donne un ancrage planaire dégénéré du nématique 5CB. Le GLYMO est greffé chimiquement sur la surface et est réticulé pour former une couche stable et insoluble dans le cristal liquide. L'autre lame dans la cellule est toujours traitée par évaporation de SiO (82°, 105 nm, ancrage fort, monostable, incliné à Θ10 de l'ordre de 55°). L'épaisseur des cellules était comprise entre 1 μm et 4μm. Après le remplissage, les cellules montrent toujours une texture plane, sans aucune torsion. Après l'application des impulsions électriques courtes, les inventeurs ont observé une commutation vers une texture tordue de 180°. Cette texture est transitoire et spontanément se transforme à nouveau dans la texture initiale, après un temps d'effacement τe. Ce temps est de l'ordre de 10 à 100 ms et il est proportionnel au carré de l'épaisseur de la cellule.
L'énergie d'ancrage zénithal pour ces cellules est relativement forte, comparable à celle obtenue avec du SiO évaporé monostable. Ec est de l'ordre de 10V/μm pour τ = 1 ms. La figure 9 est l'enregistrement de la transmission optique de la cellule entre polariseurs croisés suite à l'application d'une impulsion de commande 30. On a rajouté sur la figure 9 les correspondances avec les états expliqués en regard de la figure 6. On notera que le maximum de transmission est obtenu pour l'état 6e. Sur cette cellule, dont la réponse optique n'est pas optimisée, les inventeurs ont mesuré un contraste meilleur que 100:1.
Une autre série de cellules typiques a été réalisée avec des lames 2 couvertes par du polyisoprene qui donnent pour le 5CB un ancrage conique dégénéré. Comme contre-lames 1 , les inventeurs ont utilisé des plaques de verre avec des électrodes transparentes, couvertes soit par du polyimide frotté (ancrage fort planaire, monostable), soit par SiO évaporé (82°, 105 nm, ancrage fort, monostable, incliné à environ 55°). Au remplissage, tous les échantillons montrent des textures planes, avec le directeur dans le plan défini par l'ancrage monostable sur la contre- lame 1. Dans le cas de contre-lame 1 traitée par SiO (ancrage incliné), une seule texture inclinée, presque uniforme, est observée, similaire à la texture de la figure 6a. Dans le cas d'une contre-lame 1 planaire (polyimide frotté), les deux textures plates schématisées sur la figure 10, coexistent, séparées par des défauts.
En appliquant de courtes impulsions électriques, les inventeurs ont observé une transition des cellules dans l'état "inscrit", tordue à 180°. Les seuils d'inscription Ec(τ) mesurés pour ces cellules sont présentés sur la figure 11. Le seuil statique de cassure de surface est très bas pour le polyisoprene (Ec de l'ordre de 1 ,5V/μm, un ordre de grandeur plus faible que le polyimide). Du point de vue pratique cette propriété est très importante : le dispositif peut être commandé avec de faibles tensions, même pour des impulsions courtes (U = 26V pour τ de l'ordre de 10μs et une cellule de 2μm). Malgré sa faible valeur, l'énergie d'ancrage est très uniforme sur la surface de la cellule, ceci résulte en pratique en un seuil d'inscription très bien défini et constant sur de grandes surfaces.
Sur la figure 12 est présenté le seuil de cassure de l'ancrage du 5CB en fonction de la durée de l'impulsion pour un traitement de polystyrène greffé sur l'ITO. Pour ce revêtement aussi le seuil est raisonnablement bas (E≈3volt/μm pour τ = 1 ms) et très bien reproductible. Le même seuil a été obtenu aussi pour les ancrages presque dégénérés obtenus par frottement mécanique de la couche de polystyrène greffée.
Le temps τe est une caractéristique importante de l'afficheur monostable (qui s'efface spontanément) et il doit être ajusté selon la fréquence de rafraîchissement. Ce temps dépend de plusieurs paramètres : épaisseur de la cellule, géométrie des ancrages, durée et tension de l'impulsion de commande.
Sur la figure 13 τe est présenté en fonction du carré de l'épaisseur de la cellule "d" pour des échantillons différents, contenant le nématique 5CB. La lame d'ancrage dégénéré 2 est toujours couverte par du polyisoprene (ancrage conique dégénéré sans aucune mémoire). Deux types de contre-lames 1 ont été utilisées : ancrage planaire monostable sur polyimide frotté (courbe a) et ancrage incliné monostable sur SiO évaporé (courbe b). La dépendance de τe en d2 est bien connue de l'homme de l'art : elle peut être déduite de la condition d'équilibre entre le couple élastique de torsion de volume qui oblige le directeur à tourner sur le cône d'ancrage, et le couple visqueux qui s'y oppose. On observe aussi que τe est plus long pour un ancrage oblique sur la contre-lame : ces cellules ont un angle moyen θ plus petit et donc les énergies de leur texture fléchie (figure 6d) et tordue (figure 6e) sont très proches. Le couple élastique de torsion devient petit et le temps de relaxation τe se rallonge.
Sur la figure 14 est présentée la réponse optique d'une cellule (5CB, lame 2 polyisoprene, contre-lame 1 SiO oblique, épaisseur 2,3 μm) pour des impulsions de commande d'une durée fixe (τ = 50 μs) et différentes tensions. Plus précisément sur la figure 14 on a représenté 4 courbes a, b, c et d qui correspondent respectivement à quatre tensions de commande de 13,4 V, 13,5 V, 14 V et 15V. On voit sur la figure 14 que, au dessous d'un seuil bien défini Uc de l'ordre de 13,4 volts, on n'observe aucune transmission. A U > Uc la transmission augmente avec la tension appliquée pendant l'impulsion de commande. A U supérieur ou égal à US = 15 V, l'intensité de la transmission sature à sa valeur maximale et ne change plus. Cette dépendance, découverte par les inventeurs, peut s'expliquer de la façon suivante : à forte tension (U > US) l'ancrage sur la lame polyisoprene est cassé complètement et, à la fin de l'impulsion la commande hydrodynamique est très efficace, imposant un retour rapide du directeur vers la position θ = θo, φ = 0° (figure 6d) aidé par l'ancrage zénithal. La texture fléchie ainsi réalisée est plane et la transmission optique est faible. Pour l'instant, aucun couple azimutal n'est appliqué à la texture et l'ancrage ne glisse pas. Comme déjà expliqué, la texture (figure 6d) est instable et elle se transforme dans la texture tordue de la figure 6e, qui tire sur la surface 2 et oblige l'ancrage à glisser, conduisant en passant par la texture de la figure 6f à la texture finale de la figure 6a. Pendant les transformations consécutives de la texture de la figure 6d vers la texture de la figure 6a, la texture est tordue et l'intensité transmise est forte.
Quand la tension de commande est faible (U de l'ordre de Uc), l'ancrage zénithal de la lame 2 n'est pas complètement cassé et, à la fin de l'impulsion le directeur tourne autour de la normale sur un cône de faible ouverture Θ2 < θ2o- Cette fois, l'effet hydrodynamique et l'ancrage zénithal tirent les molécules dans deux directions différentes : respectivement vers le demi-plan φ = 0° et vers le cône d'ancrage Θ2 = θ2o* A la fin de l'écoulement, on n'obtient pas la texture plane de la figure 6d, mais une texture tordue, selon la figure 6f. Rapidement cette texture se détord et donne la texture initiale de la figure 6a. En plus, toutes les textures intermédiaires sont proches de l'homéotrope et donc la transmission correspondante entre polariseurs croisés est faible.
Ce modèle explique le comportement des courbes l(t) sur la figure 14, notamment la croissance du temps de relaxation et de l'intensité maximale avec la tension. Des courbes similaires ont été obtenues et expliquées par les inventeurs, avec une tension de commande fixe (U = 25 volts) et durée τ variable : pour τ = 14 μs la réponse optique est nulle; à 14 μs < τ <16 μs l'intensité transmise croît progressivement, à τ supérieur ou égal à 16 μs le signal optique sature et ne dépend plus de τ. La dépendance de l'intensité transmise après l'impulsion de τ et U est très importante du point de vue pratique : elle permet d'utiliser l'afficheur proposé dans un mode de fonctionnement "teintes de gris", très important pour l'affichage en couleur. Il s'agit de la possibilité de changer la luminosité du pixel en changeant la tension ou la durée de la courte impulsion de commande. Ainsi pour définir des teintes de gris, on peut appliquer des impulsions proches du seuil de cassure, par exemple sous forme d'impulsions de durée fixe et d'amplitude comprise entre Uc et Uc-20% ou d'impulsions d'amplitude fixe et de durée comprise entre τc et τc-20% (τc représentant la durée d'impulsion requise pour casser l'ancrage pour une amplitude donnée, voir par exemple figures 11 et 12).
La grande fidélité des seuils Uc et τc et la montée rapide de la luminosité pour un faible changement des paramètres (U ou τ) rendent possible un taux élevé de multiplexage de l'afficheur, en conservant les teintes de gris. Par exemple, on peut inscrire l'afficheur ligne par ligne avec une tension Uligne = (Uc + Us)/2 sur la ligne active et (Uc - Us)/2 < Ucol < (Us - Uc)/2 sur les colonnes. De cette façon, la tension résultante dans les pixels sur la ligne active varie entre Uc et Us- L'intensité de la lumière transmise peut donc varier entre zéro et la valeur maximale. La tension sur les lignes- non adressées reste inférieure à la tension de l'instabilité de Fredericks [10].
Pour éviter un papillotement de l'image on peut utiliser une période de rafraîchissements de l'image inférieure au temps d'effacement τe.
La figure 15 donne le signal optique en fonction du temps pour des impulsions de rafraîchissement de fréquence de répétition fixe et différentes amplitudes de ces impulsions. Dans ce cas les inventeurs ont montré que le dispositif fonctionne dans le mode rms: le signal optique moyen est fonction de la moyenne du carré de la tension appliquée.
La figure 16 indique l'intensité lumineuse moyenne en fonction de la tension rms (racine carrée de la moyenne du carré de la tension). On peut voir que le seuil de tension est abrupt. Le rapport M entre la tension donnant une intensité lumineuse de 90% et celle donnant 10% est proche de 1 ,025. Ceci permet de réaliser un écran dont le nombre de lignes est donné par la formule de Alt et Pleshko [11] :
Figure imgf000028_0001
soit un écran de 1600 lignes. Finalement, les inventeurs ont aussi étudié les ancrages presque dégénérés, obtenus par superposition d'un ancrage dégénéré conique ou planaire (couche de polyisoprene, polystyrène ou GLYMO) avec un faible alignement monostable (frottement de la lame avant ou après le dépôt de la couche d'ancrage dégénéré, dépôt de cette couche sur SiO évaporé ou une autre surface anisotropique équivalente). Comme déjà expliqué, ces ancrages sont des ancrages symétriques, bistables, avec une très faible énergie d'ancrage azimutal.
Selon encore une autre variante, l'anisotropie peut être induite grâce à une irradiation à l'aide d'un faisceau de lumière polarisée ultraviolette ou visible.
Après l'application des signaux de commande, les ancrages presque dégénérés cassent et la cellule s'inscrit, donnant la texture illustrée sur la figure 6e. Les seuils de cassure sont les mêmes que pour les ancrages - dégénérés correspondants. La texture inscrite ne s'efface pourtant pas spontanément par glissement de l'ancrage, et reste stable à l'échelle des secondes. A temps plus longs, la cellule s'efface par mouvement des défauts.
Le cas échéant cet effacement spontané peut être supprimé en ajoutant un dopant chiral au matériau cristal liquide, comme proposé dans le document [9], dans un autre contexte pour l'ancrage monostable.
En bref, l'afficheur proposé dans le cadre de la présente invention, présente les caractéristiques suivantes :
- ancrages simples à produire,
- inscription très rapide ( τ < 10μs pour U de l'ordre de 26 V), - effacement spontané après un temps τe ajustable, de l'ordre de 20 à 100 ms, i. e. comparable au taux de rafraîchissement de l'image vidéo, - teintes de gris (environ 7 à 8 teintes de gris binaires pour la cellule non- optimisée),
- possibilité d'obtenir une bistabilité.
On peut aussi envisager le cas où le seuil de cassure zénithal Ec2 de l'ancrage dégénéré est supérieur au seuil de cassure zénithal Eci de l'ancrage zénithal classique. Pour un champ E tel que Ec2>E>Ecι, la plaque d'ancrage dégénéré devient la plaque maître, c'est-à-dire qu'elle va créer l'écoulement hydrodynamique de volume et de surface qui donne l'état fléchi dans le cas de l'inscription ou l'interaction élastique qui crée l'état uniforme de la figure 6a dans le cas de l'effacement.
On peut également envisager le cas d'un traitement supprimant toute mémoire orientationnelle azimutale sur les deux plaques.
De plus on peut envisager dans le cadre de la présente invention d'utiliser soit un cristal liquide d'anisotropie diélectrique positive, soit un cristal liquide d'anisotropie diélectrique négative.
II.- Dispositifs utilisant un couple azimutal pour tourner l'ancrage dégénéré.
Dans les dispositifs que nous avons décrits jusqu'à présent, le champ appliqué est normal aux lames et le fort couple électrique casse l'ancrage __ zénithal de la lame d'ancrage azimutal dégénéré. Après l'impulsion de commande une nouvelle texture de volume est réalisée, qui dans le cas du monostable revient vers la texture initiale par rotation azimutale des molécules sur la lame d'ancrage dégénérée. Nous allons maintenant décrire d'autres dispositifs, où un couple azimutal appliqué dans la cellule produit une rotation azimutale. Aucune cassure d'ancrage ne se réalise dans ce cas : l'ancrage azimuthal dégénéré se réoriente librement sous un tel couple et la texture de la cellule change d'une façon progressive et réversible puisque par définition le seuil de cassure de l'ancrage azimuthal dégénéré est zéro. Néanmoins, ces nouveaux dispositifs se distinguent des afficheurs traditionnels par le fait que, pendant leur commutation, l'orientation du directeur tourne sur la lame d'ancrage dégénéré : à la place de l'ancrage fort traditionnel ils utilisent un ancrage azimuthal "infiniment faible". 11.1 - Afficheur à ancragedégénéré en champ horizontal. a) Géométrie du dispositif
Dans ce cas, les deux électrodes sont disposées sur une même lame, par exemple la lame 1 sur la figure 17 ; elles sont parallèles à l'axe y et distantes de L. Le champ électrique est dans le plan de la cellule parallèle à l'axe x. Sur la lame 2 il n'y a pas d'électrodes et son ancrage est conique ou planaire dégénéré, sans mémoire orientationnelle. Sur la lame 1 , l'ancrage est traditionnel, monostable, planaire ou incliné avec un angle azimuthal φ1 par rapport à l'axe x (fig. 17). La distance entre les lames est d. Sans champ, la texture plane de la figure 17a est réalisée : partout dans la cellule les molécules sont parallèles à un plan vertical, défini par φ(z)-=φ1. Cette texture est imposée uniquement par l'ancrage sur la lame 1 et par l'élasticité de distorsion du nématique, parce qu'il n'y a aucun couple azimuthal de surface sur la lame 2.
Quand une tension U est appliquée entre les deux électrodes, le champ électrique (E = U/L) oriente le directeur n(z) parallèlement (si Δε > 0), ou perpendiculairement (si Δε < 0) à l'axe x. Sur la lame 1 l'ancrage azimutal est fort et le directeur ne tourne pas (φ(0) = φ1 ). Sur la plaque 2 l'ancrage azimuthal est libre et la condition de bord est donnée par dφ/dz / z=d = 0. Eh général on obtient sous champ une texture tordue, présentée sur fig. 17b, avec une orientation φ2 des molécules sur la lame dégénérée, dépendant du champ. Cette variation de l'orientation du nématique sur la lame 2 avec le champ distingue le dispositif proposé des autres afficheurs déjà connus, qui utilisaient aussi des champs de commande horizontaux mais, dont l'ancrage sur la lame 2 est fort et monostable (homéotrope [documents 12 et 13], planaire ou incliné [voir références citées dans document 14]). L'homme de l'art sait que les afficheurs à champ horizontal sont beaucoup plus difficiles à réaliser et donc plus chers que les dispositifs à champ vertical (normal aux lames); ils nécessitent des tensions de commande L/d»1 fois plus fortes, la disposition des électrodes dans le pixel est compliquée, une matrice active est obligatoire pour le multiplexage. Pourtant, les afficheurs à champ horizontal ont aussi un grand avantage : leur angle de vue est très grand, grâce au fait que dans tous leurs états le directeur reste parallèle aux lames. b) Comparaison entre le dispositif proposé et les afficheurs en champ horizontal et ancrages traditionnels. Pour comprendre les avantages du dispositif proposé, il faut comparer la variation de l'angle φ(z) au travers de la cellule (fig. 18) pour deux afficheurs très semblables : le dispositif proposé de la fig. 17a et le même type d'afficheur, mais avec un ancrage fort monostable sur la lame 2, qui impose φ(d) = φ2 = φ-i. Sans champ (U=0), les deux afficheurs présentent une texture uniforme avec φ(z) = φ1 (fig. 18, courbe a). Pour simplifier, nous supposons ici φ1 = 90° et Δε > 0, sans bien sûr nous limiter à ce cas. Jusqu'à une certaine valeur-seuil de la tension Us le couple de surface, dû à l'ancrage, domine le couple électrique de volume et la texture reste uniforme. Pour l'ancrage traditionnel monostable le seuil est défini par U's = LU2/d, où U2 est le seuil de Frederiksz en géométrie de torsion [document 10], environ 0,5V pour le 5CB. Pour notre dispositif à ancrage conique sur la lame 2, le seuil est deux fois plus faible U"s = LU2 2d, grâce à la condition d'ancrage libre sur la lame 2. Au-dessus du seuil le couple électrique- devient suffisamment fort pour distordre la texture. Dans le cas d'ancrage traditionnel sur les deux lames, φ(z) varie dans le volume (fig. 18, courbe b), mais reste inchangé sur les deux surfaces. Dans le cas d'ancrage azimuthal dégénéré sur la lame 2 les molécules tournent aussi sur cette surface (fig. 18, courbe c). La torsion de la texture dans ce cas est beaucoup plus forte. Pour observer les transformations de texture on place la cellule entre polariseurs croisés, dont un est parallèle au directeur sur la lame 1. Dans le cas des deux afficheurs, si U<US, leur cellule est une lame biréfringente dont l'axe lent est parallèle à la polarisation de la lumière incidente, la transmission de ces afficheurs (cellule plus polariseurs) est nulle : l'afficheur est dans son état noir.
Pour l'afficheur connu, à ancrage fort sur les deux lames, si U>US, mais proche de Us la torsion dans la cellule correspond à la figure 18 courbe b, la condition Mauguin est satisfaite (dφ/dz«Δn/λ). Alors la polarisation de la lumière suit la direction des molécules, les torsions en haut et en bas annulent leurs effets, l'afficheur reste noir. Pour des tensions plus élevées la torsion de la cellule devient forte, la condition de Mauguin n'est plus satisfaite près des surfaces ; la lumière à la sortie de la cellule est fortement elliptique. La transmission augmente rapidement avec la tension mais d'une façon différente pour les différentes couleurs.
Dans le cas d'ancrage dégénéré, si U>US mais proche de Us, la cellule reste dans le régime guide d'onde et joue le rôle d'un rotateur de polarisation : après avoir traversé la cellule, la polarisation de la lumière a tourné d'un angle φ_-φ., le même (ou presque) pour toutes les longueurs d'onde. La transmission augmente donc très régulièrement avec la tension dès le dépassement du seuil et la lumière transmise reste blanche.
Tout cela reste vrai aussi dans le cas général φ1 < 90° pour l'ancrage dégénéré, mais dans ce cas il n'existe pas un seuil net Us et la torsion de la texture augmente progressivement avec U. Ainsi, les teintes de gris sont étendues sur une plus grande plage de tensions et sont donc plus faciles à contrôler mais le contraste baisse légèrement, parce que la torsion totale dans la cellule φ1 - φ2 devient plus petite que 90°. Pour éviter cet inconvénient il suffit de chiraliser le nématique en le transformant en un cholestérique de long pas 2μm < P < 10μm. La torsion dans une cellule chiralisée est présentée schématiquement sur la fig. 19, courbe a, sans champ, courbes b, c et d en champ croissant, c) Avantages de l'afficheur proposé Certains des avantages du dispositif de la fig. 17 par rapport aux autres afficheurs en champ horizontal deviennent évidents à partir de la discussion précédente. L'ancrage dégénéré sur la lame 2 permet de baisser la tension de commande U d'un facteur deux, ou d'utiliser des rapports L/d deux fois plus grands à U fixe et donc de doubler la dimension des pixels. La lumière transmise est blanche, sans aucune dispersion des couleurs. Bien sûr, l'angle de vue est grand, comme dans tous les autres afficheurs en champ horizontal. L'ancrage dégénéré donne aussi une grande liberté de choix des paramètres géométriques de la cellule pour optimiser son comportement. Par exemple, on peut optimiser l'optique de la cellule en chiralisant le nématique et en choisissant indépendamment les orientations φ1 et φ2 sur les deux lames par rapport au champ E. Il est possible aussi de commander le dispositif par la polarité du champ : les deux surfaces étant différentes, on peut créer une densité du dipôle de volume ou de surface dans la cellule (par exemple flexoélectrique [document 13], ordoélectrique [document 15]). Cette polarisation se couple avec la polarité du champ et suivant son signe la texture est tordue à gauche ou à droite, minimisant l'énergie due à ce couplage linéaire en E. Cet effet peut être important quand E 1 n ou quand le champ est faible, parce que dans ces deux cas l'effet linéaire est plus fort que l'effet diélectrique (quadratique en E). d) Résultats expérimentaux
Les inventeurs ont réalisé plusieurs cellules à champ horizontal entre une lame 1 d'ancrage fort planaire (evaporation oblique de SiO) et une lame 2 d'ancrage conique dégénéré (polystyrène greffé). Les deux électrodes transparentes d'ITO étaient disposées sur la lame 2 et séparées de 100 μm. La durée des impulsions de commande a été choisie de 40 ms, compatible avec la durée de l'image vidéo. Sur la fig. 20a est présentée la réponse optique d'une telle cellule (d
= 2,0 μm, φi =70°, nématique 5CB pur) au champ de commande variable E = U/L. Pour comparaison, sur la fig. 20b sont présentés les résultats obtenus avec une cellule semblable, mais avec ancrage planaire monostable sur la lame 2. Dans les deux cas le contraste est très bon (-200) et l'angle de vue est large. Dans le cas d'ancrage monostable (fig. 20b) la lumière transmise est plus colorée et les champs de commande sont environ deux fois plus élevés, comme prévu. II.2 - Afficheur à ancrage azimutal dégénéré en champ "vertical".
Comme nous l'avons déjà expliqué, l'intérêt des dispositifs utilisant des champs horizontaux est leur grand angle de vue. Par contre, l'avantage des afficheurs à champ "vertical" (perpendiculaire aux lames, obtenus entre deux électrodes transparentes déposées sur les deux lames) est leur simplicité et leur faible tension de commande. Nous allons maintenant démontrer qu'en utilisant des ancrages coniques il est possible de combiner les avantages des deux types d'afficheurs, a) Géométrie du dispositif Dans ce cas (fig. 21 ), les deux électrodes sont déposées respectivement sur les deux lames 1 et 2. Le champ électrique E = U/d est parallèle à la normale des lames. L'ancrage sur la lame 1 est monostable (planaire ou oblique). Sur la lame 2 l'ancrage est planaire ou conique dégénéré, sans mémoire. Le cristal liquide entre les lames est un nématique chiralise ou un cholesterique d'un pas P relativement large par rapport à la longueur d'onde de la lumière visible. L'ancrage dégénéré conique ou planaire sur la lame 2 distingue le dispositif proposé des dispositifs d'ancrage monostable homéotrope déjà proposés dans les documents [16] et [17]. L'homme de l'art sait que sans contrainte extérieure, imposée par un champ ou par les bords, le cholesterique s'enroule en hélice. Si l'axe de l'hélice est parallèle à z, les molécules sont perpendiculaires à cet axe (θ = 90°) et φ = φ (z) = qoz, où q0 = 2π/P est le vecteur d'onde de la torsion cholesterique spontanée. Les conditions d'ancrage de la cellule de la figure 21 obligent une texture hélicoïdale, dont l'axe de l'hélice est perpendiculaire aux lames. Cependant, les alignements sur les lames et le champ électrique appliqué, imposent un angle zénithal θ = θ(z), en général différent de 90°. Un couplage apparaît maintenant entre θ(z) et dφ(z)/dz dû à l'anisotropie des constantes élastiques du nématique(KιΞK3 > K2). En supposant que Kι= K3 = K > K2, et dans le cas d'ancrage azimuthal libre sur une des lames nous avons la relation :
Figure imgf000034_0001
relation dans laquelle
K-i = constante élastique de la déformation en éventail du cristal liquide, K = constante élastique de la torsion, K3 = constante élastique de la flexion.
Il existe alors un couplage entre les distorsions zénithale et azimutale. Si la texture est proche du planaire (θ ≡ 90°, fig. 21a) on revient à dφ/dz = qo. Si la texture est proche de l'homéotrope (θ « 90°) on obtient une baisse de la torsion dφ/dz = qoK2/K.
Dans le dispositif proposé par les inventeurs le couplage entre φ et θ joue le rôle d'un "convertisseur" de couple. Il transforme les couples zénithaux, créés directement par le champ vertical, en couples azimutaux. Ainsi, grâce à l'ancrage azimutal libre sur la lame 2, l'angle φ2 change sous l'action du champ (fig. 21 b, nous supposons sur cette figure Δε > 0). Entre polariseurs croisés on obtient un changement de l'intensité transmise. Si P et Δπ sont grands, la texture est presque planaire, on travaille en régime de guide d'onde et à la sortie de la cellule la polarisation est plus ou moins tournée, selon le champ appliqué. Ce régime est facilement réalisable avec des ancrages obliques sur les deux lames et Δε < 0 (θ < 90° sans champ, θ≡90° sous champ). Si P est petit et/ou la texture est proche de l'homéotrope (θ « 90°), le régime de guide d'onde est perturbé et à la sortie de Ja cellule la lumière est plus ou moins elliptique, selon le champ. Ce régime est facilement réalisé avec des ancrages planaires (ou proches du planaire) sur les deux lames et Δε > 0 (texture presque homéotrope sous champ), b) Avantages du dispositif proposé
Le dispositif proposé présente de nombreux avantages par rapport aux dispositifs basés sur des ancrages traditionnels. Par rapport aux afficheurs en champ horizontal ces avantages sont :
• simplicité de réalisation,
• possibilité de faire des pixels de taille et de forme arbitraire,
• faibles tensions de commande, possibilité d'opérer en régime passif (sans matrice active), • bonne colorimétrie dans le cas d'opération en guide d'onde.
Par rapport aux afficheurs en champ vertical et ancrage traditionnel ces avantages sont : • grand angle de vue,
• bonne colorimétrie en cas de guide d'onde
• possibilité de forts changements de texture et donc de φ, sans apparition de défaut (ces variations peuvent être ainsi très rapides et réversibles). b) Résultats expérimentaux
Pour démontrer les performances du dispositif proposé en champ vertical les inventeurs ont réalisé plusieurs cellules entre deux lames de verre, avec des électrodes transparentes d'ITO sur les surfaces intérieures des lames. Dans tous les cas l'ancrage est traditionnel et monostable sur la lame 1 et conique ou planaire dégénéré sur la lame 2. Le nématique 5CB est chiralise pour obtenir une torsion spontanée, d'un pas P très supérieur à la longueur d'onde.
Sur la figure 22 est présentée la réponse optique d'une telle cellule à une impulsion électrique de durée τ = 40 ms (compatible avec la fréquence vidéo) et de tension U entre 1 ,0 et 3,0 V. L'ancrage est oblique monostable (SiO) sur la lame 1 et conique dégénéré (polystyrène greffé) sur la lame 2. L'épaisseur de la cellule est d = 4,0 μm et le pas cholesterique est P ≡ 5,0 μm. La torsion dans la cellule varie entre -270° sans champ et -160° sous fort champ. Cette forte torsion assure un large angle de vue, comparable aux afficheurs supertwistés. Les temps de réponse sont compatibles avec la fréquence de l'image vidéo et le contraste (non optimisé) est d'environ 20.
Sur la figure 23 est présentée la réponse optique pour une autre cellule, avec les mêmes ancrages, mais avec d = 2,9 μm et P ≡ 2,6 μm. Grâce à l'épaisseur plus fine, les temps de relaxation sont plus rapides sur cette cellule, permettant des rafraîchissements de l'image plus fréquents (par exemple 16,6 ms pour le standard NTSC). Le contraste de cette cellule est très bon, d'environ 140. Dans ces deux cellules, le pas de l'hélice n'est pas assez grand pour satisfaire la condition de Mauguin ΔnP»λ. Le régime de guide d'onde est donc perturbé et la dispersion des couleurs n'est pas complètement évitée. Aussi, les inventeurs ont observés dans ces cellules à forte torsion totale des modulations de la texture, déjà observées pour des cellules hybrides [document 17]. Ces modulations continues, sans ligne de défaut, sont dues à l'ancrage conique sur la lame 2 et pour de faibles épaisseurs (d ~ P) ils remplacent les vrais défauts ("fingerprints") observés dans les cholestériques sous ancrages monostables. Les temps de réponse dans notre cas ne sont pas influencés par les modulations de texture : il n'y a aucun hystérésis, parce qu'il n'y a pas de création ni de transport de défauts. Les modulations sont observées dans l'état sans champ, qui est l'état clair pour l'afficheur proposé, et elles ne dégradent pas le contraste.
Sur la figure 24 nous présentons la réponse optique d'une cellule à long pas (P ~ 13 μm), qui travaille dans le régime de guide d'onde et qui a une meilleure colorimétrie. Cette cellule a une épaisseur d ~ 3,7 μm, ancrage planaire monostable (SiO) sur la lame 1 et ancrage planaire dégénéré (traitement par Glymo) sur la lame 2. La torsion totale de cette cellule est petite et il n'y a pas de modulation de la texture. BIBLIOGRAPHIE
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2. Durand et al. US Patent 5 357 358;
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9. I. Dozov, M. Nobili, G. Durand, "Fast bistable nematic display using monostable surface switching", Applied Physics Letters 70, p. 1179 (1997). 10. P.G. de Gennes, J. Prost, "The Physics of Liquid Crystals", Clarendon Press, Oxford, 1993.
11. Alt. P.M. and Pleshko P.; 1974 IEEE Trans. Elec. Dev. ED-21 :146
12. G. Durand, Ph. Martinot-Lagarde, I. Dozov FR 8207309 "Perfectionnement aux cellules optiques utilisant les cristaux liquides"
13. I. Dozov, Ph. Martinot-Lagarde, G. Durand "Flexoelectrically controlled twist of texture in a nematic liquid crystal" J. Phys. Lett. 43, 365-369 (1982) 14. MASAHITO OH-E et al. "Dependence of viewing angle characteristics on pretilt angle in the in-plane switching mode Liquid Crystals, 1997, vol. 22, n°4.
15. G. Durand
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16. US-A-4114990
17. I. Dozov, I. PENCHEV "Structure of a hybrid aligned cholesteric liquid crystal cell" J. Physique 47(1986)

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif d'affichage à cristaux liquides comprenant un matériau cristal liquide pris en sandwich entre deux plaques de confinement (1 , 2), caractérisé par le fait que l'une au moins des plaques (2) est munie d'un traitement qui définit un ancrage azimutal dégénéré, sans mémoire orientationnelle azimutale.
2. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé par le fait que le traitement est un traitement de passivation de la surface de l'une au moins des plaques (1 , 2) par inhibition des sites d'adsorption sur cette surface.
3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que le traitement est obtenu par le choix d'un matériau constituant les plaques de confinement ou d'un revêtement sur celles-ci.
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le matériau comprend un polymère comportant des chaînes fluides ou très mobiles ou ne comportant pas de site d'adsorption du cristal liquide.
5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le traitement comporte le greffage d'un revêtement.
6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que le traitement opère par saturation des sites d'adsorption.
7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que le traitement est adapté pour ne pas interagir fortement avec le cristal liquide, notamment ne pas s'orienter facilement par les interactions anisotropes avec les molécules mésogènes de cristal liquide.
8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que le traitement comprend un composé choisi dans la famille des silanes organofonctionnels.
9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que le traitement comprend un composé choisi dans la famille des silanes organofonctionnels comportant des groupes chlorosilane (Si-Ci), silanol (Si-OH), ou alkoxysilane (Si-CnH2nOH).
10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que le traitement comprend des complexes de chrome.
11. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que le traitement est formé de 3-Glyceryloxypropyl Trimethoxysilane (GLYMO).
12. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le matériau comprend des polymères en phase liquide dans tout le domaine de stabilité thermique de la phase mésogène utilisée et que lesdits polymères sont greffés sur la surface.
13. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le matériau comprend des polymères insolubles dans le cristal liquide, dans leur état vitreux.
14. Dispositif selon l'une des revendications 4 ou 12 et 13, caractérisé par le fait que le matériau comprend des polymères liquides de la famille des siloxanes ou des polymères vitreux, à la température ambiante.
15. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé par le fait que le matériau comprend du polyisoprene, du polybutadiène ou du polystyrène.
16. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé par le fait que le traitement est adapté pour définir un ancrage planaire dégénéré.
17. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé par le fait que le traitement est adapté pour définir un ancrage conique dégénéré.
18. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 17, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens aptes à commander un changement d'état, par effet hydrodynamique de surface.
19. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 18, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens aptes à commander un changement d'état, par effet hydrodynamique de volume.
20. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 19, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens de commande appliquant sur le cristal liquide une impulsion inférieure au seuil de cassure sur la plaque pourvue du traitement.
21. Dispositif selon la revendication 20, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens de commande créant un effet hydrodynamique de volume ou de surface induisant une rotation azimutale d'un ancrage dégénéré ou presque dégénéré sans cassure de l'ancrage zénithal.
22. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 19, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens de commande appliquant sur le cristal liquide une impulsion supérieure au seuil de cassure sur la plaque pourvue du traitement.
23. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 22, caractérisé par le fait que le traitement est déposé sur un substrat isotrope pour définir un ancrage planaire ou conique dégénéré et sans hystérésis orientationnel.
24. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 22, caractérisé par le fait que le traitement est déposé sur un substrat anisotrope.
25. Dispositif selon la revendication 24, caractérisé par le fait que le traitement est déposé sur une couche de SiO placée sur une plaque de confinement.
26. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 25, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens superposant une anisotropie à un ancrage dégénéré conique ou planaire pour produire un ancrage presque dégénéré d'énergie azimutale non nulle mais sans mémoire ni hystérésis.
27. Dispositif selon la revendication 26, caractérisé par le fait que les moyens superposant une anisotropie à un ancrage dégénéré conique ou planaire sont choisis dans le groupe comprenant : un frottement de la plaque de confinement (2) avant ou après le dépôt du revêtement, le dépôt du revêtement sur une surface anisotrope ou l'induction d'une anisotropie par irradiation du revêtement de passivation à l'aide d'un faisceau de lumière polarisée ultraviolette ou visible.
28. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 27, caractérisé par le fait que le dispositif d'affichage est bistable et qu'en l'absence de champ deux textures au moins sont stables parmi les trois textures possibles : plane/inclinée (fig. 6a, 7a), plane/fléchie (fig. 6d, 7d), et la texture tordue (fig- 6f).
29. Dispositif selon la revendication 28, caractérisé par le fait que les inclinaisons (θ) des molécules au repos par rapport à une normale aux plaques de confinement sont assez petites pour stabiliser la texture plane/fléchie.
30. Dispositif selon l'une des revendications 28 ou 29, caractérisé par le fait qu'il comprend un dopant chiral pour stabiliser la texture tordue.
31. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 23, caractérisé par le fait que le dispositif d'affichage est monostable, que l'état induit par le moyen de commande est instable et que le dispositif revient spontanément dans l'état stable initial par un chemin continu.
32. Dispositif selon la revendication 31 , caractérisé par le fait que les inclinaisons (θ) des molécules au repos par rapport à une normale aux plaques de confinement sont grandes.
33. Dispositif selon la revendication 20, caractérisé par le fait que les moyens de commande sont adaptés pour appliquer sélectivement sur le cristal liquide une impulsion choisie parmi plusieurs impulsions de commande proches du seuil de cassure pour définir des teintes de gris choisies.
34. Dispositif selon la revendication 33, caractérisé par le fait que les impuisions de commande ont une durée fixe et une amplitude variable proche du seuil de cassure.
35. Dispositif selon la revendication 33, caractérisé par le fait que les impulsions de commande ont une amplitude fixe et une durée variable proche du seuil de cassure.
36. Dispositif selon l'une des revendications 33 et 34, caractérisé par le fait qu'il est organisé en matrice et que les moyens de commande sont adaptés pour appliquer une tension Uligne = (Uc + Us)/2 sur la ligne active et (Uc - Us)/2 < Ucol < (Us - Uc)/2 sur les colonnes, Uc et Us représentant respectivement les seuils d'apparition et de saturation de changement d'état du dispositif.
37. Dispositif selon la revendication 28, caractérisé par le fait que pour effacer une texture inscrite, les moyens de commande appliquent une impulsion qui favorisent l'interaction élastique entre les deux surfaces par rapport à leur interaction hydrodynamique.
38. Dispositif selon l'une des revendications 33 à 35, caractérisé par le fait que la période de répétition des impulsions de commande qui rafraîchissent l'image est inférieure au temps d'effacement du dispositif et qu'ainsi la sélection des niveaux de gris est donnée par la valeur de la tension quadratique moyenne appliquée sur le pixel.
39. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 32, 37 et 38, caractérisé par le fait qu'il est prévu des moyens de commande aptes à casser l'ancrage sur les deux plaques.
40. Dispositif selon la revendication 39, caractérisé par le fait qu'il est prévu des moyens de contrôle complémentaire aptes à créer un champ ou écoulement horizontal d'orientation.
41. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 21 et 23 à 40, caractérisé par le fait que le seuil de cassure zénithal de l'ancrage dégénéré prévu sur une plaque est supérieur au seuil de cassure zénithal d'un ancrage classique prévu sur l'autre plaque, et il est prévu des moyens aptes à appliquer un champ compris entre les deux seuils d'ancrage ainsi définis.
42. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 41 , caractérisé par le fait que les deux plaques (1 , 2) possèdent un traitement définissant un ancrage azimutal dégénéré sans mémoire orientationnelle azimutale.
43. Dispositif selon les revendications 1 à 17, caractérisé par le fait qu'une des plaques induit un ancrage azimutal fort et l'autre un ancrage azimutal dégénéré planaire ou conique.
44. Dispositif selon la revendication 43, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens aptes à appliquer un champ électrique perpendiculaire aux plaques et que le cristal liquide est cholestérisé pour former dans la cellule une texture hélicoïdale régulière, dont le pas change sous l'action du champ grâce à l'ancrage azimuthal dégénéré d'une des lames.
45. Dispositif selon la revendication 44, caractérisé par le fait que le cristal liquide est d'anisotropie positive et que sous champ la texture hélicoïdale régulière est conservée mais son pas varie.
46. Dispositif selon la revendication 44, caractérisé par le fait que le cristal liquide est d'anisotropie négative et qu'au moins un des ancrages sur les plaques est incliné ; ainsi le champ appliqué augmente l'angle zénithal et change le pas de l'hélice.
47. Dispositif selon la revendication 43 et caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens aptes à appliquer un champ électrique parallèle aux plaques qui commande la torsion des molécules au voisinage de la lame d'ancrage azimutal dégénéré.
48. Dispositif selon la revendication 47, caractérisé par le fait que le cristal liquide est nématique d'anisotropie diélectrique positive et que le champ E est appliqué perpendiculairement à la texture uniforme du nématique sans champ.
49. Dispositif selon la revendication 47, caractérisé par le fait que le cristal liquide est nématique d'anisotropie négative et que le champ E est appliqué parallèlement à la texture uniforme du nématique sans champ.
50. Dispositif selon la revendication 47, caractérisé par le fait que le cristal liquide est nématique et que le champ est appliqué selon une direction différente de 0 et de 90j par rapport à la texture uniforme.
51. Dispositif selon la revendication 47, caractérisé par le fait que le cristal liquide est cholestérisé pour obtenir une texture hélicoïdale en absence du champ.
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