2.4
Afficheurs à cristaux liquides
L’application la plus répandue des cristaux liquides est la conception d’afficheurs contrô- lables grâce à l’application d’une tension électrique. Bien que ces outils omniprésents s’ap- puient tous sur les mêmes principes généraux et les mêmes éléments de base, il existe de nombreuses variantes présentant chacune leurs avantages et leurs inconvénients.
2.4.1
Cellule de base
La majorité des afficheurs à cristaux liquides modernes sont composés des mêmes élé- ments de bases (voir image 2.17) [4]. Outre les filtres colorés et les transistors en couche mince nécessaires à l’opération d’un écran couleur complet, on retrouve une unité de base gé- néralement appelée « cellule » permettant de commuter le passage de la lumière pour chaque pixel.
Figure 2.17 –Composantes d’une unité d’affichage à cristaux liquides
Les substrats de cette cellule sont composés de plusieurs éléments. Le support mécanique de l’ensemble est assuré par deux lames transparentes, généralement en verre. Sur les faces extérieures de ces lames on retrouve des filtres polarisants linéaires dont les axes de transmis- sions sont généralement parallèles ou perpendiculaires entre eux. On nomme le premier filtre
2.4Afficheurs à cristaux liquides 26
rencontré par le faisceau « le polariseur » et le dernier « l’analyseur ». Sur les faces interne on trouve des électrodes transparentes faites de couches minces conductrices, généralement composées d’oxyde d’étain et d’indium (indium-tin oxide, ITO), permettant d’appliquer une tension électrique alternative entre les surfaces. Sur ces électrodes on trouve enfin la couche d’alignement (souvent faite de polyimide) permettant d’imposer une orientation initiale à la mésophase. Les deux substrats sont séparés par des intercalaires (spacers) de quelques mi- crons d’épaisseurs, qui déterminent l’épaisseurd du milieu. On trouve enfin au centre de cet assemblage la mésophase.
2.4.2
Modes d’opération
La structure de base présentée précédemment est utilisée pour plusieurs modes d’opé- ration différents. Le mode le plus simple et le plus largement utilisé jusqu’à maintenant est le mode nématique torsadé (twisted nematic, TN), qui offre de bons contrastes et nécessite une tension électrique relativement faible. Ce mode met à profit l’activité optique des méso- phases torsadées, permettant de faire tourner une polarisation linéaire d’un angle prédéfini. Par exemple, si les axes d’alignement des faces opposées sont perpendiculaires, tout comme les axes de transmission des polariseurs (chacun parallèle à l’alignement de la surface ad- jacente), la polarisation linéaire tourne de 90° et n’est donc pas bloquée par l’analyseur (fi- gure 2.18a). Cependant si on applique une tension électrique supérieure à Es (voir section 2.2.2) et queΔ > 0, les molécules se réalignent perpendiculairement au substrat, la polari- sation n’est donc plus affectée par la mésophase et l’analyseur bloque totalement le faisceau (figure 2.18b). Il est aussi possible d’utiliser cette méthode avec des polariseurs parallèles, au- quel cas la situation est inversée et la lumière est bloquée pour une tension nulle et transmise lorsqu’on applique une tension suffisante [4].
La plupart des autres modes d’opération impliquent l’utilisation du retard de phase accu- mulé en traversant la mésophase, qui modifie la polarisation du faisceau de sorte qu’il soit bloqué ou non par l’analyseur. Le mode supertorsadé (supertwisted nematic, STN) fut lar- gement utilisé dans la conception des écrans plats à cristaux liquides avant que les écrans à transistors en couches minces (thin film transistor, TFT) ne deviennent plus abordables et dominent le marché. Dans ce mode d’opération, on utilise un cristal liquide nématique dopé avec une petite quantité de cholestérique afin de forcer la mésophase à adopter une structure en hélice dont la rotation entre les deux faces est supérieure à 90°, ce qui permet d’améliorer les propriétés élctro-optiques. Les écrans réalisés avec cette technologie offrent une bonne réponse électro-optique mais un faible contraste [4].
2.4Afficheurs à cristaux liquides 27
trouvent sur une seule face d’une cellule planaire. La tension électrique appliquée permet ici de changer l’angle azimutal du directeurn par rapport à la polarisation linéaire incidente (figure 2.18c), ce qui modifie ici aussi le retard optique accumulé en traversant la cellule. Le grand avantage de ce mode est d’offrir un grand angle de vue, ce qui est défi récurrent dans la conception des afficheurs à cristaux liquides [4].
Il existe enfin un mode d’opération simple couramment utilisé pour l’études des méso- gènes, qui consiste à contrôler le retard optique en modifiant l’orientation den, cette fois hors du plan des substrats. Dans le cas d’une cellule planaire, le mésogène doit avoir une anisotro- pie électrique positive (Δ > 0), et l’application d’une tension entre les deux surfaces permet alors d’aligner le directeur n perpendiculairement aux surfaces (figure 2.18d). Dans le cas d’une cellule homéotrope, l’anisotropie électrique doit être négative (Δ < 0), et la tension électrique appliquée permet alors d’orientern parallèlement aux substrats (figure 2.18e) [4].
(a) (b) (c)
(d) (e)
Figure 2.18 –Quelques configurations de cellules de cristaux liquides permettant de modi- fier la polarisation de la lumière à l’aide d’un champ électrique (voir section2.4.2)
Chapitre 3
Méthodes et matériaux
Ce chapitre présente les méthodes, matériaux et instruments communs à l’ensemble du projet réalisé, tant lors des travaux préparatoires que dans la préparation et l’analyse des échantillons présentés aux chapitres 4 et 5. Pour réaliser ceux-ci, trois échantillons furent produits et analysés en utilisant des paramètres identiques pour chaque méthode d’alignement et chaque ensemble de paramètres étudiés, afin de vérifier la reproductibilité des résultats.
3.1
Substrats
3.1.1
Lames
Les substrats d’une cellule de cristaux liquides (voir section 2.4.1) doivent généralement être rigides, afin d’offrir un support mécanique à l’ensemble, et très transparents, afin de ne pas engendrer une perte de puissance lumineuse du faisceau qui les traverse. On utilise donc généralement des lames de verre, plus ou moins minces selon les besoins de l’application (généralement autour de 0,5 mm), sur lesquelles sont déposés les autres éléments nécessaires au fonctionnement d’un afficheur à cristaux liquides.
Les lames utilisées dans ce projet sont des lames de verre flotté polies et passivées dont une face a reçu un dépôt mince d’ITO (oxyde d’étain et d’indium), obtenues d’un producteur commercial (Delta technologies ltd., modèle CG61IN). Ces lames ont une taille de 25 × 70 mm, une épaisseur de 1,1 mm et une conductivité de 15-25 Ω. Les lames reçues ont été redimensionnées selon les besoins à l’aide d’une pointe en diamant, en prenant soin de minimiser les contacts avec la face de l’électrode.
3.1Substrats 29
3.1.2
Nettoyage
L’épaisseur des couches d’alignement déposées sur les substrats étant très faible (de l’ordre de 0,1 à 1 μm) et la qualité de l’ancrage dépendant de la propreté de la surface, principalement dans la deuxième portion du projet (voir chapitre 5), il importe d’atteindre la plus grande propreté possible pour les surfaces qui seront utilisées. Les substrats utilisés sont donc tous soumis à une procédure de nettoyage rigoureuse avant le dépôt de la couche d’alignement.
Les lames sont d’abord frottées avec un tissu doux imbibé d’une solution à 2 % de savon Micro-90 de Cole-Parmer et d’eau distillée, puis placées dans un bain à ultra-sons à tem- pérature ambiante (typiquement 20 °C) dans la même solution pour 7 minutes. Elles sont ensuite rincées à l’eau distillée pendant 4 minutes, puis placée à nouveau au bain à ultra-sons dans un récipient d’acétone pour 7 minutes. Enfin une dernière sonication est effectuée dans l’isopropanol pour 7 minutes, puis les lames sont lentement retirées de la solution finale afin d’assurer un séchage lent et uniforme. Tout au long de cette procédure, il est très important de ne pas toucher aux faces des lames suite au frottage initial, et les lames doivent demeurer humides en tout temps afin d’éviter une adsorption de contaminants sur la surface. Suite au nettoyage, les lames sont placées au four à 100 °C pour 20 minutes afin d’éliminer toute trace résiduelle de solvant. On peut voir à la figure 3.1 la topographie des lames de verre avec ITO après le nettoyage (l’échelle verticale est en nanomètres).
(a)Surface sondée de 50× 50 μm (b)Surface sondée de 5× 5 μm Figure 3.1 –Topographie d’une lame de verre avec ITO après nettoyage