DISPOSITIFS OPTIQUES A CRISTAUX LIQUIDES PRESENTANT UN GRADIENT CONTROLE D'ORDRE EN SURFACE. LIQUID CRYSTAL OPTICAL DEVICES HAVING A SURFACE ORDER CONTROLLED GRADIENT.
La présente invention concerne les dispositifs optiques utilisant des cristaux liquides. 5 . La présente invention a été faite au Laboratoire deThe present invention relates to optical devices using liquid crystals. 5. The present invention was made in the Laboratory of
Physique des Solides de l'Université de Paris Sud, laboratoire associé au CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE numéro 04 0002. De nombreux travaux de recherche ont été conduits depuis au moins une quinzaine d'années sur les cristaux liquides.Solid State Physics of the University of Paris Sud, laboratory associated with the NATIONAL CENTER FOR SCIENTIFIC RESEARCH number 04 0002. Numerous research studies have been carried out for at least fifteen years on liquid crystals.
10 Différents résultats des travaux de recherche effectués au10 Different results of research carried out at
Laboratoire de Physique des Solides de l'Université de Paris Sud sont décrits dans la demande de brevet français déposée le 28 avril 1982 sous le numéro 82 07309 et publiée sous le numéro 2 526 177, la demande de brevet français déposée le 23 octobre 1984 sous le numéro 84 16192 etLaboratory of Solid State Physics of the University of Paris Sud are described in the French patent application filed on April 28, 1982 under number 82 07309 and published under number 2 526 177, the French patent application filed on October 23, 1984 under the number 84 16 192 and
*-• publiée sous le numéro 2 572 210, la demande de brevet français déposée le 18 juin 1985 sous le numéro 85 09224 et publiée sous le numéro 2 587 506, ou encore la demande de brevet français déposée le 14 mai 1986 sous le numéro 86 06916 et publiée sous le numéro 2 598 827. Par ailleurs, les travaux relatifs aux cristaux liquides ont* - • published under the number 2 572 210, the French patent application filed on June 18, 1985 under the number 85 09224 and published under the number 2 587 506, or the French patent application filed on May 14, 1986 under the number 86 06916 and published under number 2 598 827. In addition, work relating to liquid crystals has
-- donné lieu à de nombreuses publications.- resulted in numerous publications.
On citera par exemple les documents : 1) Appiied Physics Letters volume 25, N. 9, novembre 1974, Urbach et Al : "Alignment of nematics and smectics on evaporated films", pages 479 à 481, 2) Letters in Applied and Engineering Sciences, volume 1, 1973, pages 19-24, GuyonWe will cite for example the documents: 1) Appiied Physics Letters volume 25, N. 9, November 1974, Urbach and Al: "Alignment of nematics and smectics on evaporated films", pages 479 to 481, 2) Letters in Applied and Engineering Sciences , volume 1, 1973, pages 19-24, Guyon
25 et Al : "On différent boundary conditions of nematic films deposited on obliquely evaporated plates", et 3) Physical Review Letters, volume 56, N. 19, Mai 1986, Durand et al : "Order electricity and surface orientation in nematic liquid crystal, pages 2056 à 2059".25 and Al: "On different boundary conditions of nematic films deposited on obliquely evaporated plates", and 3) Physical Review Letters, volume 56, N. 19, May 1986, Durand et al: "Order electricity and surface orientation in nematic liquid crystal , pages 2056 to 2059 ".
Le document 1) Applied Physics Letters, volume 25, N. 9, 0 novembre 1974, rapporte des essais expérimentaux opérés sur un dispositif à cristaux liquides comprenant une plaque sur laquelle un dépôt d'or ou de SiO, d'une épaisseur de d'ordre de 50 à 1000 A, a été
précédemment effectué par évaporation sous incidence oblique. Selon les résultats consignés dans ce document, on peut obtenir soit une orientation planaire du cristal liquide, c'est-à-dire des molécules de cristal liquide orientées parallèlement aux plaques du dispositif, soit une orientation oblique du cristal liquide, c'est-à-dire des molécules de cristal liquide inclinées par rapport aux plaques. Selon ce document 1) page 480, lignes 43 à 46, l'inclinaison oblique des molécules par rapport aux plaques est pratiquement indépendante de l'épaisseur du revêtement déposé par évaporation. Le document 2) Letters in Applied and EngineeringThe document 1) Applied Physics Letters, volume 25, N. 9, November 0, 1974, reports experimental tests operated on a liquid crystal device comprising a plate on which a deposit of gold or SiO, with a thickness of d from 50 to 1000 A, has been previously carried out by evaporation under oblique incidence. According to the results recorded in this document, it is possible to obtain either a planar orientation of the liquid crystal, that is to say molecules of liquid crystal oriented parallel to the plates of the device, or an oblique orientation of the liquid crystal, that is to say ie liquid crystal molecules tilted relative to the plates. According to this document 1) page 480, lines 43 to 46, the oblique inclination of the molecules relative to the plates is practically independent of the thickness of the coating deposited by evaporation. Document 2) Letters in Applied and Engineering
Sciences, volume 1, pages 19-24, 1973, propose une modélisation des résultats consignés dans le document 1). Cette modélisation concerne le cas théorique d'un dépôt par évaporation présentant une épaisseur de 100 à 6000 A. Le document 3) Physical Review Letters, volume 56, N. 19,Sciences, volume 1, pages 19-24, 1973, offers a modeling of the results recorded in document 1). This modeling concerns the theoretical case of an evaporation deposit having a thickness of 100 to 6000 A. The document 3) Physical Review Letters, volume 56, N. 19,
Mai 1986, relate une analyse théorique concernant l'influence de la perturbation de l'ordre nematique, au niveau d'une interface nematique/ liquide isotrope. Il ressort de cette analyse que la perturbation d'ordre à l'interface s'accompagne d'une énergie qui force les molécules à un angle dit "angle magique" défini par cos2 θ = 1/3.May 1986, relates a theoretical analysis concerning the influence of the perturbation of the nematic order, at the level of a nematic / isotropic liquid interface. It emerges from this analysis that the order perturbation at the interface is accompanied by an energy which forces the molecules at an angle called "magic angle" defined by cos 2 θ = 1/3.
La présente* invention a maintenant pour but de proposer de nouveaux moyens permettant de définir, de façon simple, fiable et économique, une inclinaison oblique des molécules de cristaux liquides par rapport à une plaque du dispositif. La présente invention, qui repose sur de nombreuses études théoriques et constatations expérimentales propose à cet effet de définir sur une plaque" du dispositif, une rugosité de l'ordre de grandeur moléculaire du cristal liquide considéré.The present * invention now aims to propose new means for defining, simply, reliably and economically, an oblique inclination of the liquid crystal molecules relative to a plate of the device. The present invention, which is based on numerous theoretical studies and experimental observations, proposes for this purpose to define on a plate " of the device, a roughness of the order of molecular magnitude of the liquid crystal considered.
De préférence, la rugosité ainsi définie sur la plaque du e dispositif sera de l'ordre de grandeur de 20 à 40 A.
Les inventeurs ont déterminé qu'une telle rugosité entraîne un gradient de paramètre d'ordre qui induit une polarisation ordoélec- trique, associée à un champ dépolarisant qui tend à forcer les molécules du cristal selon une orientation oblique par rapport à la plaque. Plus précisément encore, en prolongeant leurs recherches, les inventeurs ont déterminé que, en définissant une direction préféren¬ tielle de rugosité, par exemple en déposant sur la plaque un revêtement rugueux par évaporation selon une direction déterminée, on pouvait obtenir à la fois .une orientation oblique et une orientation azimutale contrôlées du cristal liquide, par rapport aux plaques. Plus précisément encore, l'orientation oblique et l'orientation azimutale du cristal liquide évoluent continuellement, dans un plan obiique par rapport aux plaques en fonction de l'épaisseur de la rugosité et de sa direction préférentielle, c'est-à-dire dans le cas d'une évaporation en fonction de la direction d'incidence.Preferably, the roughness thus defined on the plate of the device will be of the order of magnitude from 20 to 40 A. The inventors have determined that such roughness results in an order parameter gradient which induces an ordoelectric polarization, associated with a depolarizing field which tends to force the molecules of the crystal in an oblique orientation relative to the plate. More precisely still, by extending their research, the inventors have determined that, by defining a preferential direction of roughness, for example by depositing on the plate a rough coating by evaporation in a determined direction, it was possible to obtain both. controlled oblique orientation and azimuthal orientation of the liquid crystal, relative to the plates. More precisely still, the oblique orientation and the azimuthal orientation of the liquid crystal evolve continuously, in an obi plane relative to the plates as a function of the thickness of the roughness and of its preferential direction, that is to say in the case of an evaporation as a function of the direction of incidence.
Cette disposition est susceptible de donner lieu à de nombreuses applications. En effet, il suffit de contrôler l'épaisseur de rugosité et sa direction préférentielle pour imposer à la fois l'orientation oblique et l'orientation azimutale du cristal liquide. Ainsi par exemple on peut obtenir un affichage bistable à très faible consommation d'énergie à l'aide d'un dispositif comprenant deux plaques transparentes parallèles, et une matière comprenant des molécules de cristal liquide placées entre les deux plaques, l'une au moins des plaques présentant sur sa surface adjacente au cristal liquide une rugosité de l'ordre de grandeur moléculaire du cristal liquide, l'épaisseur et l'orientation de la rugosité étant adaptées pour définir deux orientations azimutales possibles des molécules du cristal liquide, symétriques par rapport à la direction préférentielle de rugosité et de l'ordre de 45° par rapport à cette direction, et des moyens permettant d'appliquer un champ électrique externe au dispositif pour provoquer le basculement contrôlé des molécules d'une orientation azimutaie à l'autre.
Le document US-A-4 601 544 concerne un dispositif à cristal liquide présentant un effet bistable de volume.This arrangement is likely to give rise to numerous applications. Indeed, it suffices to control the thickness of roughness and its preferred direction to impose both the oblique orientation and the azimuthal orientation of the liquid crystal. Thus, for example, a bistable display with very low energy consumption can be obtained using a device comprising two parallel transparent plates, and a material comprising liquid crystal molecules placed between the two plates, at least one plates having on its surface adjacent to the liquid crystal a roughness of the order of molecular magnitude of the liquid crystal, the thickness and the orientation of the roughness being adapted to define two possible azimuthal orientations of the molecules of the liquid crystal, symmetrical with respect to to the preferred direction of roughness and of the order of 45 ° relative to this direction, and means making it possible to apply an electric field external to the device to cause the controlled tilting of the molecules from one azimuth orientation to the other. Document US-A-4 601 544 relates to a liquid crystal device having a bistable volume effect.
Les documents "Conférence Accord of 1978 Biennal Display Research Conférence - Cherry Hill, NJ, 24-26 oct 1978 pages 56-58 ; "Japanese Journal of Applied Physics vol 19 n. 3 mars 1980" ; "J. Appl. Phys. vol 50 n. 6 juin 1979 - pages 3975-3977" concernent l'observation d'inclinaison de molécules de cristal liquide par rapport aux plaques sous l'effet de revêtements déposés par celles-ci. Les documents précités analysent succinctement, entre autre, l'influence de l'épaisseur du revêtement, mais n'analysent par l'influence de l'épaisseur de la rugosité. De plus, ils ne mettent pas en évidence l'effet bistable précité.The documents "Conférence Accord of 1978 Biennal Display Research Conférence - Cherry Hill, NJ, 24-26 Oct 1978 pages 56-58;" Japanese Journal of Applied Physics vol 19 n. March 3, 1980 ";" J. Appl. Phys. vol 50 n. June 6, 1979 - pages 3975-3977 "relate to the observation of inclination of liquid crystal molecules relative to the plates under the effect of coatings deposited by them. The aforementioned documents briefly analyze, among other things, the influence of the thickness of the coating, but do not analyze by the influence of the thickness of the roughness, nor do they reveal the above-mentioned bistable effect.
Le document FR-A-2 308 675 concerne le micro-usinage, au moyen d'un faisceau d'ions, d'un revêtement déposé sur le substrat d'une cellule à cristaux liquides. D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels :Document FR-A-2 308 675 relates to micromachining, by means of an ion beam, of a coating deposited on the substrate of a liquid crystal cell. Other characteristics, aims and advantages of the present invention will appear on reading the detailed description which follows, and with reference to the appended drawings, given by way of nonlimiting examples and in which:
- les figures 1 à 4 représentent, pour quatre expériences, l'orientation azimutale Y et le relèvement oblique γ du cristal liquide en fonction de l'angle d'évaporation et de l'épaisseur d'un dépôt opéré sur une plaque,,- Figures 1 to 4 show, for four experiments, the azimuthal orientation Y and the oblique bearing γ of the liquid crystal as a function of the angle of evaporation and the thickness of a deposit made on a plate,
- la figure 5 représente géométriquement l'orientation oblique et azimutale d'une molécule de cristal liquide par rapport à la direction d'évaporation, - la figure 6 représente deux courbes illustrant l'orientation azimutale- Figure 5 shows geometrically the oblique and azimuthal orientation of a liquid crystal molecule with respect to the direction of evaporation, - Figure 6 represents two curves illustrating the azimuthal orientation
et l'orientation oblique ψ en fonction d'une épaisseur de dépôt, pour un angle d'évaporation déterminé, and the oblique orientation ψ as a function of a thickness of deposit, for a determined angle of evaporation,
- les figures 7, 8 et 9A, 9B illustrent schématiquement trois applications de' l'invention , à des dispositifsà cristaux liquides nématiques, etFIGS. 7, 8 and 9A, 9B schematically illustrate three applications of the invention , to nematic liquid crystal devices, and
- la figure 10 représente des courbes illustrant l'évolution de l'orien¬ tation oblique d'un cristal liquide smectique, sur chacune des deux faces du dispositif, en fonction d'une épaisseur de SiO déposée.- Figure 10 shows curves illustrating the evolution of the oblique or¬ tion of a smectic liquid crystal, on each of the two faces of the device, depending on a thickness of SiO deposited.
ANALYSE GENERALEGENERAL ANALYSIS
La présente invention repose sur l'analyse théorique suivante.The present invention is based on the following theoretical analysis.
Les cristaux liquides nématiques peuvent être considérés comme des liquides de quadrupoles électriques Q orientés pour lesquels on peut écrire :
relation dans laquelle :Nematic liquid crystals can be considered as liquids of oriented electric quadrupoles for which one can write: relationship in which:
_3_3
- -e représente la densité de quadrupoles (-e t\t 10~ cgs),- -e represents the density of quadrupoles (-et \ t 10 ~ cgs),
- S représente le paramètre d'ordre du cristal liquide (S est compris entre O et 1),- S represents the order parameter of the liquid crystal (S is between O and 1),
- n est le vecteur unitaire représentant l'orientation des molécules.- n is the unit vector representing the orientation of the molecules.
En présence de variations spatiales, on obtient la polarisation électrique P = -V.Cj = 3/2 eV.S(hn -1/3).In the presence of spatial variations, we obtain the electrical polarization P = -V.Cj = 3/2 eV.S (hn -1/3).
On sait que si, travaillant à S constant, V agit sur n, on obtient l'effet flexoeiectrique et la polarisation P devient propor¬ tionnelle à la courbure r.(V.rï).We know that if, working at constant S, V acts on n, we obtain the flexo-electric effect and the polarization P becomes proportional to the curvature r. (V.rï).
Si par contre on travaille à "n constant et S variable, on obtient la polarisatioon ordoélectrique : P = 3/2 e V S.[r>n - T/3]. Cette polarisation est en général oblique par rapport à 7 S.
A cette polarisation est associé un champ dépolarisant défini p "ar D z = O = 4TÏ P z + ε E z ( où ~Ϋ est la direction de VS).If on the other hand we work with " n constant and S variable, we obtain the ordoelectric polarization: P = 3/2 e V S. [r> n - T / 3]. This polarization is generally oblique with respect to 7 S. With this polarization is associated a defined depolarizing field p "ar D z = O = 4TÏ P z + ε E z (where ~ Ϋ is the direction of VS).
L'énergie associée a une densitéThe energy associated with a density
1/2 ( ε/4rc ) EZ ~ = 1/2 π/e. ) PZ 2.1/2 (ε / 4rc) E Z ~ = 1/2 π / e. ) P Z 2 .
Cette énergie est minimum pour P = O , c'est-à-dire pour une orientation oblique θ par rapport à z définie par cos2 θ = 1/3.This energy is minimum for P = O, that is to say for an oblique orientation θ with respect to z defined by cos 2 θ = 1/3.
BASE DE L'INVENTION ET PREMIERS RESULTATS D'ESSAIBASIS OF THE INVENTION AND FIRST TEST RESULTS
Partant de l'analyse générale ci-dessus, selon laquelle un gradient du paramètre d'ordre doit conduire à une sollicitation du cristal liquide selon une orientation oblique par rapport aux plaques, les inventeurs ont proposé l'idée de contrôler le paramètre d'ordre S, en surface d'un dispositif à cristaux liquides, par dépôt sur une plaque du dispositif de petits grains dont la taille est de l'ordre de grandeur de la taille moléculaire du cristal liquide considéré, c'est-à-dire de l'ordre de 20 à 40 A.Starting from the general analysis above, according to which a gradient of the order parameter must lead to a stress on the liquid crystal in an oblique orientation relative to the plates, the inventors proposed the idea of controlling the order parameter S, on the surface of a liquid crystal device, by depositing on a plate of the device small grains whose size is of the order of magnitude of the molecular size of the liquid crystal considered, that is to say of l '' from 20 to 40 A.
Les expériences ont été conduites en utilisant un cristal liquide nematique présentant une orientation parallèle à la surface de la plaque, mais dégénérée en présence d'une plaque polie, c'est-à-dire de direction variable dans un plan parallèle à la surface de la plaque.The experiments were carried out using a nematic liquid crystal having an orientation parallel to the surface of the plate, but degenerate in the presence of a polished plate, that is to say of variable direction in a plane parallel to the surface of the plaque.
Plus précisément les inventeurs ont contrôlé l'orientation du cristal liquide pour différents couples d'angle d'évaporation et d'épaisseur des grains déposés. Les inventeurs ont constaté que la réalisation d'un état de surface rugueux par évaporation selon une direction déterminée, permettait d'obtenir non seulement une orientation oblique des molécules de cristal liquide par rapport aux plaques, mais également une orientation azimutale contrôlée et variable par rapport à la direction d'évaporation. Les premiers résultats obtenus sont consignés sur les figures 1 à 4 et 6 annexées.
Ces résultats sont illustrés en référence au modèle géométrique représentés sur la figure 5.More precisely, the inventors have controlled the orientation of the liquid crystal for different pairs of evaporation angle and thickness of the deposited grains. The inventors have found that achieving a rough surface state by evaporation in a determined direction makes it possible to obtain not only an oblique orientation of the liquid crystal molecules relative to the plates, but also an azimuthal orientation which is controlled and variable with respect to to the direction of evaporation. The first results obtained are recorded in Figures 1 to 4 and 6 attached. These results are illustrated with reference to the geometric model represented in FIG. 5.
Ce modèle géométrique comprend un système de coordon¬ nées à trois axes x, y et z, orthogonaux entre eux. Les axes x, y s'étendent parallèlement à la plaque P considérée. L'axe z s'étend perpendiculairement à cette plaque P, en direction du volume du cristal liquide. La direction d'évaporation coïncide arbitrairement avec le plan défini par les axes x et z. L'incidence de la direction d'évaporation, qui correspond à l'inclinaison entre la direction d'évaporation et l'axe z est définie par l'angle .This geometric model includes a coordinate system with three axes x, y and z, orthogonal to each other. The axes x, y extend parallel to the plate P considered. The z axis extends perpendicular to this plate P, in the direction of the volume of the liquid crystal. The direction of evaporation arbitrarily coincides with the plane defined by the x and z axes. The incidence of the direction of evaporation, which corresponds to the inclination between the direction of evaporation and the z axis is defined by the angle.
L'orientation oblique du cristal liquide, qui correspond à l'inclinaison entre l'axe z et l'axe longitudinal des molécules de cristal liquide est illustrée par l'angle θ sur la figure 5. Le complément de cet angle θ est référencé ψ . Enfin, l'orientation azimutale du cristal liquide, qui correspond à l'inclinaison entre l'axe x et la projection sur le plan xy de l'axe longitudinal des molécules est illustrée par l'angle référencé ψ sur la figure 5.The oblique orientation of the liquid crystal, which corresponds to the inclination between the z axis and the longitudinal axis of the liquid crystal molecules is illustrated by the angle θ in FIG. 5. The complement of this angle θ is referenced ψ . Finally, the azimuthal orientation of the liquid crystal, which corresponds to the inclination between the x axis and the projection on the xy plane of the longitudinal axis of the molecules is illustrated by the angle referenced ψ in FIG. 5.
On a illustré sur la figure 1 annexée l'évolution de l'orientation azimutale '-_- pour du cristal liquide MBBA en fonction de l'angle d'évaporation o( et de l'épaisseur d'un dépôt de SiO sur du verre ordinaire.Illustrated in Figure 1 attached is the evolution of the azimuthal orientation ' -_- for MBBA liquid crystal as a function of the angle of evaporation o (and the thickness of a deposit of SiO on glass ordinary.
_• _ β _ • _ β
Pour une épaisseur de dépôt inférieure a 5 A, on constate que les molécules de cristal liquide sont orientées parallèlement aux plaques, mais dans des directions aléatoires. oFor a deposit thickness less than 5 A, it can be seen that the liquid crystal molecules are oriented parallel to the plates, but in random directions. o
Lorsque l'épaisseur du dépôt atteint 5 À, la dégénérescence est levée, c'est-à-dire que les molécules s'orientent parallèlement à elles-mêmes et perpendiculairement au plan xz définissant la direction d'évaporation. A ce stade l'orientation azimutale Ψ des molécules égale 90°, et l'orientation oblique Q' - 90°.
Cette position initiale des molécules est illustrée schématiquement sur la figure 5 sous la référence M'.When the thickness of the deposit reaches 5 Å, the degeneration is lifted, that is to say that the molecules orient themselves parallel to themselves and perpendicular to the plane xz defining the direction of evaporation. At this stage the azimuthal orientation Ψ of the molecules equals 90 °, and the oblique orientation Q '- 90 °. This initial position of the molecules is illustrated diagrammatically in FIG. 5 under the reference M '.
Lorsque l'épaisseur du dépôt augmente encore, on obtient en fonction de l'angle d'évaporation c( une rotation azimutale progressive des molécules dans un plan oblique par rapport à la plaque P. Le cristal liquide passe alors d'un domaine pour lequel l'orientation azimutale ψ égale 90° à un domaine azimutal pour lequel peut atteindre 0°, c'est-à-dire un domaine pour lequel les molécules sont orientées sensiblement parallèlement au plan xz contenant la direction d'évapo- ration. La rotation azimutale s'accompagne d'un relèvement des molécules ; lorsque T passe progressivement de 90 ° à 0°, ψ passe de 0 à environ 20-30°.When the thickness of the deposit still increases, we obtain as a function of the evaporation angle c (a gradual azimuthal rotation of the molecules in an oblique plane with respect to the plate P. The liquid crystal then passes from a domain for which the azimuthal orientation ψ equals 90 ° to an azimuthal domain for which can reach 0 °, that is to say a domain for which the molecules are oriented substantially parallel to the xz plane containing the direction of evaporation. azimuthal is accompanied by an increase in molecules; when T gradually goes from 90 ° to 0 °, ψ goes from 0 to about 20-30 °.
La plage hachurée sur la figure 1 correspond à la plage de valeurs de l'angle d'évaporation c . et de l'épaisseur d'évaporation pour lesquelles l'orientation azimutale varie progressivement entre 90° et 0° et l'orientation oblique ψ varie progressivement entre 0 et environ 20-30°. Cette variation progressive de l'orientation azimutale et de l'orien¬ tation oblique ψ , contrôlable en fonction de la rugosité, constitue une caractéristique essentielle de l'invention, originale par rapport à l'art antérieur selon lequel seules les bornes y" = 90° ou 0° et ψ = O ou 20-30° étaient connues.The hatched range in FIG. 1 corresponds to the range of values of the evaporation angle c. and of the thickness of evaporation for which the azimuthal orientation varies progressively between 90 ° and 0 ° and the oblique orientation ψ varies progressively between 0 and approximately 20-30 °. This progressive variation of the azimuthal orientation and the oblique orientation ψ, controllable as a function of the roughness, constitutes an essential characteristic of the invention, original compared to the prior art according to which only the terminals y "= 90 ° or 0 ° and ψ = O or 20-30 ° were known.
Des résultats comparables sont illustrés sur la figure 2 annexée. Cette figure 2 concerne des essais réalisés dans les mêmes conditions opératoires, c'est-à-dire dépôt par évaporation de SiO sur du verre ordinaire, pour différentes valeurs d'angle d'évaporation et d'épaisseur de dépôt, mais à la différence de la figure 1, en utilisant du cristal liquide 5 CB au lieu de MBBA.Comparable results are illustrated in Figure 2 attached. This FIG. 2 relates to tests carried out under the same operating conditions, that is to say deposition by evaporation of SiO on ordinary glass, for different values of evaporation angle and thickness of deposition, but with the difference of Figure 1, using liquid crystal 5 CB instead of MBBA.
Les figures 3 et 4 représentent de façon similaire la valeur de l'orientation azimutale en fonction de l'angle d'évaporation o( et de l'épaisseur de dépôt de SiO, sur une lame ITO, respectivement pour du cristal liquide MBBA d'une part, et 5CB d'autre part.Figures 3 and 4 similarly represent the value of the azimuthal orientation as a function of the angle of evaporation o (and the thickness of deposition of SiO, on an ITO plate, respectively for liquid crystal MBBA d ' on the one hand, and 5CB on the other.
Les figures 2, 3 et 4, comme la figure 1 précitée, révèlent une plage (hachurée sur les figures) de couples de valeurs, angle d'évaporation θ( /épaisseur de dépôt, pour lesquelles l'orientation
azimutale ~? passe progressivement de 90° à 0°.Figures 2, 3 and 4, like Figure 1 above, reveal a range (hatched in the figures) of pairs of values, evaporation angle θ (/ thickness of deposit, for which the orientation azimuthal ~? gradually goes from 90 ° to 0 °.
La figuré 6 représente l'évolution simultanée de l'orien¬ tation azimutale T et de l'orientation oblique Ψ en fonction de l'épaisseur d'un dépôt de SiO évaporé sur une lame ITO avec une incidence p. de 74°, avec utilisation d'un cristal liquide 5CB.FIG. 6 represents the simultaneous evolution of the azimuthal orientation T and of the oblique orientation Ψ as a function of the thickness of a deposit of SiO evaporated on an ITO plate with an incidence p. 74 °, using a 5CB liquid crystal.
En accord avec les résultats illustrés sur la figure 4, on reconnaît que l'orientation azimutale γ passe progressivement de 90° à 0° pour une épaisseur de dépôt comprise sensiblement entre 30 et 40 A. En parallèle, on aperçoit que l'orientation oblique ψ se relève progressivement de 0 à 20° pour une épaisseur d'évaporation allant de 30 à 40 A.In agreement with the results illustrated in FIG. 4, it is recognized that the azimuthal orientation γ passes progressively from 90 ° to 0 ° for a thickness of deposit substantially between 30 and 40 A. In parallel, it can be seen that the oblique orientation ψ gradually rises from 0 to 20 ° for an evaporation thickness ranging from 30 to 40 A.
En conclusion, les essais réalisés par les inventeurs ont permis d'observer que le substrat nu, avant évaporation, favorise une orientation planaire, c'est-à-dire parallèle à la surface, mais dégénérée. Quand la quantité moyenne évaporée (de SiO) atteint 5 A, la dégéné¬ rescence azimutale est levée, mais l'ancrage reste planaire.. Au-dessus de 10A d'évaporation moyenne, on observe un relèvement du nematique, qui tourne dans un plan oblique de sa position planaire initiale, perpendi¬ culaire à la direction d'évaporation, jusqu'à une position oblique vers la direction d'évaporation.In conclusion, the tests carried out by the inventors have made it possible to observe that the bare substrate, before evaporation, promotes a planar orientation, that is to say parallel to the surface, but degenerate. When the average evaporated amount (of SiO) reaches 5 A, the azimuthal degeneration is lifted, but the anchoring remains planar. Above 10 A of average evaporation, there is an increase in the nematic, which turns in a oblique plane from its initial planar position, perpendicular to the direction of evaporation, to an oblique position towards the direction of evaporation.
Bien entendu la réalisation d'un état rugueux sur les plaques, apte à générer un gradient d'ordre, et de là grâce à la polarisation ordoélectrique induite, à solliciter un relèvement du cristal liquide selon une orientation oblique ψ par rapport aux plaques, peut être opéré par d'autres moyens qu'une évaporation, tel que par exemple, par attaque chimique, pulvérisation, ou encore bombardement ionique.Of course, achieving a rough state on the plates, capable of generating an order gradient, and from there thanks to the induced ordoelectric polarization, to request a raising of the liquid crystal in an oblique orientation orientation relative to the plates, can be operated by means other than evaporation, such as for example, by chemical attack, spraying, or even ion bombardment.
" On va maintenant évoquer dans la suite de la description différents exemples d'applications de la présente invention, non limitatifs."We will now discuss in the following description different examples of applications of the present invention, which are not limiting.
APPLICATION A LA REALISATION D'AFFICHEURS NEMATIQUES SUPER TWISTES
On tente de développer de nos jours des afficheurs nématiques présentant des directions d'ancrage sur les deux plaques, inclinées relativement d'un . angle > supérieur à 90°, avec orientation oblique par rapport à au moins l'une des plaques, comme illustré schématiquement sur le figure 7 annexée,pour autoriser un multiplexage du dispositif et obtenir un contraste satisfaisant. L'état de surface rugueux conforme à la présente invention permet d'obtenir aisément une orientation oblique de 10 à 20° par rapport aux plaques, et une orientation azimutale contrôlée.APPLICATION TO THE PRODUCTION OF SUPER TWIST NEMATIC DISPLAYS Nowadays, we are trying to develop nematic displays presenting anchoring directions on the two plates, inclined relatively by one. angle> greater than 90 °, with oblique orientation with respect to at least one of the plates, as illustrated diagrammatically in FIG. 7 appended, to allow the device to be multiplexed and to obtain satisfactory contrast. The rough surface state in accordance with the present invention makes it possible to easily obtain an oblique orientation of 10 to 20 ° relative to the plates, and a controlled azimuthal orientation.
APPLICATION A LA REALISATION D'ANCRAGESAPPLICATION TO THE PRODUCTION OF ANCHORAGES
NEMATIQUES BISTABLES.BISTABLE NEMATICS.
Les inventeurs ont par ailleurs déterminé que les molécules du cristal liquide sont susceptibles de prendre deux orientations azimutales symétriques par rapport au plan xz contenant la direction d'évaporation.The inventors have moreover determined that the molecules of the liquid crystal are capable of taking two symmetrical azimuthal orientations with respect to the plane xz containing the direction of evaporation.
On a ainsi illustré schématiquement sur la figure 8 deux orientations azimutales symétriques par rapport au plan xz défini par la direction d'évaporation. En choisissant l'angle d'évaporation ~ et l'épaisseur d'évaporation sur une plaque de telle sorte que l'orientation azimutale par rapport au plan xz soit de l'ordre de T 45°, on peut aisément, par application d'un champ électrique externe provoquer le basculement contrôlé des molécules d'une orientation azimutale à l'autre sur ladite plaque. Pour provoquer le basculement contrôlé des molécules d'une orientation aziumtale à l'autre et inversement, il suffit d'appliquer à la cellule alternativement des champs électriques, par exemple parallèles aux plaques ayant respectivement au moins une composante coïncidant avec une de ces orientations azimutales si le cristal liquide présente une anisotropie diélectrique positive ou orthogonale à l'une de
ces orientations azimutales si le cristal liquide présente une anisotropie diélectrique négative. On obtient ainsi une modification de l'orientation azimutale des molécules de l'ordre de 90°, permettant d'obtenir un contraste maximum, si le dispositif est placé entre des poiarisateurs.We have thus schematically illustrated in FIG. 8 two azimuthal orientations symmetrical with respect to the plane xz defined by the direction of evaporation. By choosing the evaporation angle ~ and thickness evaporation on a plate so that the azimuthal orientation with respect to the xz plane is in the range of 45 ° T, it is easy, by applying an external electric field provoke the controlled tilting of the molecules from an azimuthal orientation to the other on said plate. To cause the controlled tilting of the molecules from one azium direction to the other and vice versa, it suffices to apply alternately to the cell electric fields, for example parallel to the plates having respectively at least one component coinciding with one of these azimuthal directions if the liquid crystal has a positive dielectric anisotropy or orthogonal to one of these azimuthal orientations if the liquid crystal has a negative dielectric anisotropy. One thus obtains a modification of the azimuthal orientation of the molecules of the order of 90 °, making it possible to obtain a maximum contrast, if the device is placed between poiarisers.
En l'absence de champ électrique les positions obtenues du cristal liquide restent stables.In the absence of an electric field, the positions obtained from the liquid crystal remain stable.
Si une électrode ou plaque est pourvue d'un état de surface rugueux, on obtient deux domaines : ____. γ.If an electrode or plate is provided with a rough surface state, two domains are obtained: ____. γ.
Si les deux électrodes ou plaques sont pourvues d'un état deIf both electrodes or plates have a state of
surface rugueux on peut obtenir quatre domaines : + + ^ κ ' + *~a ~^b ' - ψ + ~Çh ; - ψ - . - en considérant que les indices a et b désignent respectivement les plaques supérieure et inférieure. rough surface one can obtain four domains: + + ^ κ ' + * ~ a ~ ^ b' - ψ + ~ Ç h ; - ψ - . - considering that the indices a and b are respectively the upper and lower plates.
APPLICATION AUX DISPOSITIFS A CRISTALAPPLICATION TO CRYSTAL DEVICES
LIQUIDE NEMATIQUE AU SEUIL D'INSTABILITENEMATIC LIQUID AT THE INSTABILITY THRESHOLD
Dans le cadre de la troisième application envisagée de l'invention à la conception des dispositifs à cristal liquide nematique, il est défini un ancrage planaire et parallèle sur les deux plaques du dispositif, comme illustré sur la figure 9A. Cependant, sur l'une des plaques, on contrôle l'angle d'évaporation θ( et l'épaisseur d'évaporation d'un dépôt pour placer le cristal liquide au voisinage de la plage de transition hachurée sur les figures 1 à 4. le cristal liquide est ainsi placé au voisinage d'un seuil d'instabilité, c'est-à-dire au voisinage d'un seuil de basculement azimutal. Cette disposition facilite le basculement du cristal liquide vers une formation hélicoïdale, par application d'un champ électrique extérieur, comme cela est connu en soi et tel qu'illustré schématiquement sur la figure 9B. En variante on peut définir initialement une disposition hélicoïdale du cristal liquide, proche d'un seuil d'instabilité, et transformer cette disposition hélicoïdale en une orientation parallèle des molécules par application d'un champ électrique externe.In the context of the third envisaged application of the invention to the design of nematic liquid crystal devices, a planar and parallel anchoring is defined on the two plates of the device, as illustrated in FIG. 9A. However, on one of the plates, the angle of evaporation θ (and the thickness of evaporation of a deposit are checked to place the liquid crystal in the vicinity of the hatched transition range in FIGS. 1 to 4. the liquid crystal is thus placed in the vicinity of an instability threshold, that is to say in the vicinity of an azimuthal tilting threshold. This arrangement facilitates the tilting of the liquid crystal towards a helical formation, by application of an external electric field, as is known per se and as illustrated diagrammatically in FIG. 9B In a variant, it is possible initially to define a helical arrangement of the liquid crystal, close to a threshold of instability, and transform this helical arrangement into a parallel orientation of the molecules by application of an external electric field.
APPLICATION DE L'INVENTION AU CONTROLE DE LA POLARITE DES INTERFACES SOLIDES-SMECTIQUES C*-FERROELECTRIQUES.APPLICATION OF THE INVENTION TO THE CONTROL OF THE POLARITY OF SOLID-SMECTIC C * -FERROELECTRIC INTERFACES.
Les afficheurs à smectique C ferroélectriques, lorsqu'ils présentent un ancrage de surface dégénéré, permettent en théorie deux positions des molécules symétriques par rapport aux couches smectiques.
Dans une de ces positions, le dipôle électrique des molécules est orienté vers l'électrode, dans l'autre position, il est orienté vers le volume, par un champ appliqué extérieur. En théorie, ces deux positions devraient être équivalentes et permettre la réalisation d'affichage bistables.Ferroelectric smectic C displays, when they have a degenerate surface anchoring, theoretically allow two positions of symmetrical molecules with respect to the smectic layers. In one of these positions, the electric dipole of the molecules is oriented towards the electrode, in the other position, it is oriented towards the volume, by an external applied field. In theory, these two positions should be equivalent and allow the realization of bistable displays.
Cependant dans la pratique, on constate qu'au lieu d'un affichage bistable entre deux états symétriques, on obtient des affichages monostables sur des textures tordues dont le contraste est mauvais et qui ne peuvent être multiplexes. Les inventeurs ont déterminé que ce phénomène était dû au fait que l'interface électrode/cristal liquide est polaire. Cette polarisation semble de nature chimique (différence d'affinité entre la surface et une partie des molécules).However in practice, it is found that instead of a bistable display between two symmetrical states, we obtain monostable displays on distorted textures whose contrast is poor and which cannot be multiplexed. The inventors have determined that this phenomenon is due to the fact that the electrode / liquid crystal interface is polar. This polarization seems to be chemical in nature (difference in affinity between the surface and part of the molecules).
La présente invention permet d'annuler la polarisation chimique grâce à une polarisation ordoélectrique induite par création d'un gradient d'ordre nematique, dans la phase smectique , de signe et amplitude convenables.The present invention makes it possible to cancel the chemical polarization by virtue of an ordoelectric polarization induced by the creation of a gradient of nematic order, in the smectic phase, of suitable sign and amplitude.
Pour obtenir une bonne compensation de la polarité chimique on peut prendre des interfaces très polies, sur lesquelles l'ordre nematique est supérieur à la valeur en volume , ou des interfaces rugueuses sur lesquelles l'ordre en surface est inférieur.To obtain a good compensation for the chemical polarity, we can take highly polished interfaces, on which the nematic order is greater than the volume value, or rough interfaces on which the surface order is lower.
On a illustré sur la figure 10 l'orientation 0 ,- du cristal liquide ainsi obtenu sur les plaques inférieure et supérieure de dispositif pour différentes valeurs d'épaisseur d'un dépôt de SiO opéré par évaporation selon une incidence θ de 81° sur des plaques ITO séparées de 3μm, respectivement pour des températures de 55°C et 48,0°C.FIG. 10 illustrates the orientation 0, - of the liquid crystal thus obtained on the lower and upper device plates for different thickness values of a deposit of SiO operated by evaporation at an incidence θ of 81 ° on ITO plates separated by 3μm, respectively for temperatures of 55 ° C and 48.0 ° C.
Bien entendu la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation et applications précités. Elle s'étend à- toute variante conforme à son esprit.
Of course, the present invention is not limited to the above embodiments and applications. It extends to any variant that conforms to its spirit.