Origine des lignes de disclinaison et solutions pour les masquer ou les faire

Les simulations réalisées sur toute la plage d’épaisseur ont permis de mettre en avant un problème inhérent aux configurations IPS-VA et VA classique.

Nous avons vu qu’il s’agissait de défauts d’alignements qui forment ce qu’on appelle des lignes de disclinaison. Celles-ci rendent les cellules moins performantes à un endroit donné de celle-ci. Dans le cas du VA classique, plusieurs méthodes existent pour corriger partiellement ou totalement ce défaut. Ces méthodes consistent à changer de type de cristal liquide ou de modifier le design de la cellule [74][75].

Ces lignes de disclinaison sont dues à plusieurs facteurs. Pour une configuration VA et IPS-VA, les principales raisons sont :

- Le pré-tilt ;

- La nature pixélisée de la cellule ; - L’amplitude du champ électrique ; - La position et la forme des électrodes.

99 Schématisons ce défaut dans le cas d’une cellule IPS-VA en prenons ici le cas de l’évolution spatiale des molécules pour d = 3 µm pour mettre en évidence ce problème.

Figure 84 : Évolution du déphasage pour d= 3µm (IPS-VA) pour une tension d’adressage de 30V. Mise en évidence des lignes de disclinaison

La figure 84 représente la répartition spatiale des molécules dans un plan de coupe de la cellule en régime établi et pour une tension d’adressage de 30V. Par souci de clarté, nous avons surligné sur le substrat du bas en rouge l’électrode « + » et en noir, les électrodes « - ».

Les molécules sont représentées par les bâtonnets noirs et le champ électrique par les flèches rouges. Le résultat de simulation par le logiciel de la différence de marche, proportionnelle au déphasage, d’une telle cellule est représenté par les traits gras noirs.

Les molécules ayant un comportement anormal faisant chuter le déphasage sont entourées en rouge. Ce sont ces défauts que l’on appelle les lignes de disclinaison.

Dans le cas de notre exemple, elles dépendent également de la valeur du champ électrique et donc de la tension d’adressage. En effet, malgré la présence d’un champ électrique horizontal sur la zone entourée en rouge, les molécules ont des comportements aléatoires. Au niveau du substrat du bas, là où le champ électrique est le plus fort, les molécules tendent à être horizontales. À l'inverse, elles sont proches de l’état vertical lorsque l’on se rapproche du substrat du haut.

Cependant, cela n’explique pas le comportement aléatoire des molécules qui sont alignées de manière aléatoire.

Lors des simulations, nous avons pu observer que les lignes de disclinaison dépendent également de l’espace interélectrodes et de l’épaisseur de la cellule. Ces défauts apparaissent pour toute la plage d’épaisseur testée et peuvent être atténués ou déplacés lorsque l’on change l’espace interélectrodes. Enfin, nous avons pu observer que le placement des molécules voisines joue également un rôle important. En observant la zone entourée en rouge sur la figure 84, les molécules voisines à une ligne de disclinaison s’orientent dans deux directions opposées. La zone entourée a été reproduite pour plus de clarté sur le schéma ci-dessous :

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Figure 85 : Schéma simplifié d’une ligne de disclinaison sur un sous pixel pour une configuration IPS-VA

La figure 85 représente une version simplifiée, mais à plus grande échelle du défaut présenté à la figure 84. Comme nous pouvons l’observer, la ligne de disclinaison (zone 2) se trouve entre deux zones où les molécules sont orientées de manière symétrique (zone 1 et 3). Ce défaut d’alignement empêche les molécules qui sont situées entre les deux zones de s’orienter correctement (horizontalement dans notre cas). Ce défaut induit donc une chute du déphasage maximale et de la transmission pour la modulation d’amplitude.

Pour terminer, nous pouvons observer sur la figure 84 que la ligne de disclinaison est légèrement décalée par rapport au centre, contrairement à la figure 85 qui est une figure simplifiée où la ligne de disclinaison est située au centre de l’espace interélectrodes.

Ce décalage peut changer en fonction de l’un ou plusieurs de ces paramètres : l’épaisseur, la largeur et le pas des électrodes, le pré-tilt et l’amplitude du champ électrique.

Un exemple de l’influence de l’épaisseur est présenté sur la figure 80 où un saut de phase apparaît entre 5,6 µm et 5,8 µm. Pour expliquer ce phénomène, nous allons nous aider de la représentation spatiale des molécules.

Figure 86 : Influence de l’épaisseur de cristaux liquide sur la ligne de disclinaison. Comparaison entre d= 5,6 µm et d= 5,8 µm pour U=60V.

La figure 86 représente l’évolution spatiale des molécules pour une tension de 60V pour deux épaisseurs différentes. Les figure 86a et b correspondent respectivement aux épaisseurs d=5,6 µm et d=5,8 µm. Sur ces deux figures, nous avons tracé uniquement le mouvement des molécules à une tension donnée ainsi que la courbe correspondant à la différence de marche entre les deux

101 composantes de la lumière incidente. Cette courbe est représentée en noir gras, rappelons que le déphasage est proportionnel à la différence de marche.

Nous avons également tracé sur ces deux figures, une ligne en pointillés orange sur le point de mesure X=3.5 µm. Ce point correspond à la différence de marche maximale (nommé : 𝛿𝑚𝑎𝑥 et 𝛿′_𝑚𝑎𝑥 pour les deux épaisseurs de CL). En outre, sur la figure 86, nous observons que 𝛿′_𝑚𝑎𝑥 > 𝛿_𝑚𝑎𝑥. Comme nous avons choisi de mesurer le déphasage au point de mesure où il est le plus élevé, ces deux valeurs expliquent le saut de phase de la figure 80.

Sur la figure 86b, le déphasage, plus élevé que sur la figure 86a est lié à la présence de la ligne de disclinaison. Sur chaque figure, la ligne de disclinaison a été entourée en rouge et nous pouvons observer un décalage vers la droite de celle-ci sur la figure 86b. La présence d’une ligne de disclinaison diminue localement le déphasage à cause des positions aléatoires des molécules. Cependant, la position aléatoire des molécules affecte également les molécules voisines. Ceci diminue le déphasage généré par les molécules aux alentours, d’où une courbe de déphasage présentant un maximum plus faible. Sur la figure 86b, ce décalage permet donc aux molécules les plus éloignées de la ligne de disclinaison de s’orienter correctement et de permettre un déphasage plus élevé.

Ce problème apparait également pour des épaisseurs plus faibles, mais permet néanmoins d’atteindre un déphasage de 2π.

La modification de l’épaisseur à pré-tilt constant étant limitée, car nous avons choisi de nous restreindre à 6 µm. Nous avons simulé une modification du pré-tilt permettant de déplacer la ligne de disclinaison jusqu’à ce qu’elle soit située proche ou au-dessus d’une des électrodes pour qu’elle puisse être masquée par celle-ci. Les pré-tilts qui permettent de déplacer ou de supprimer les lignes sont soit trop élevés ou irréalisables avec les moyens mis à notre disposition.

Une dernière solution consiste à augmenter considérablement la tension d’adressage. Cependant avec la configuration étudiée jusqu’à maintenant, les lignes de disclinaison apparaissent même pour des tensions très élevées. La dernière solution consisterait à modifier le design de la cellule et à la coupler avec le bon choix de tension.

Pour éliminer les lignes de disclinaison, nous allons dans la partie suivante nous baser sur le brevet de U. Rossini [5]. Le protocole de simulation reste identique. Cette fois-ci, nous allons tester différentes élévations d’électrodes et par la suite faire varier leur largeur de pour chercher à obtenir la meilleure optimisation du trio déphasage/tension de seuil/tension 2π.

3.4.2. Optimisation du design de la cellule dans le but d’obtenir le meilleur déphasage