Chapitre 4 : Modulation d’amplitude et retour électrique des molécules avec la technologie IPS 128
3. Étude de plusieurs configurations de micro-SLM IPS permettant un temps de réponse rapide
3.2. Paramétrage et design de la cellule
Dans cette partie, nous analyserons comment implémenter la cellule sous LCDMaster 3D en détaillant tous les paramètres qui seront ajoutés dans le logiciel.
Ce logiciel nécessite une grande puissance de calcul. Pour cela, des simplifications de design ont été effectuées pour réduire le temps de calcul sans que les résultats obtenus changent énormément. Nous aborderons au cas par cas les simplifications effectuées et les designs réels des architectures choisies pour la fabrication.
Commençons donc par détailler le design global de la cellule en précisant le cristal liquide utilisé, son orientation et les dimensions de chaque zone utile de la cellule. Dans notre étude, les cristaux liquides utilisés sont le MLC-2062 et le MLC-2139 dont les caractéristiques sont représentées.
Constantes élastiques Valeurs
K11 (splay) 15,3 pN K22 (twist) 10,3 pN K33 (bend) 21,9 pN Constantes diélectriques 𝑒𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑙è𝑙𝑒(𝑒𝑝) 10,5 𝑒𝑝𝑒𝑟𝑝𝑒𝑛𝑑𝑖𝑐𝑢𝑙𝑎𝑖𝑟𝑒(𝑒𝑠) 4,2 Viscosité rotationnelle γ 0,22 Pa.s
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Constantes élastiques Valeurs
K11 (splay) 15,3 pN K22 (twist) 10,3 pN K33 (bend) 21,9 pN Constantes diélectriques 𝑒𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑙è𝑙𝑒(𝑒𝑝) 57,1 𝑒𝑝𝑒𝑟𝑝𝑒𝑛𝑑𝑖𝑐𝑢𝑙𝑎𝑖𝑟𝑒(𝑒𝑠) 9,1 Viscosité rotationnelle γ 0,395 Pa.s
Tableau 14 : Paramètres électro-optiques et mécaniques des cristaux liquides MLC-2139
Nous observons que le MLC-2139 est plus visqueux que le MLC-2062, nous devrions nous attendre à obtenir un temps de relaxation plus long. Ainsi, un ∆𝜀 est plus élevé indique que nous allons obtenir une tension de seuil plus faible.
Les molécules MLC-2062 seront utilisées dans tous les designs simulés et de par les caractéristiques du MLC-2139, nous l’utiliserons uniquement dans le design offrant le meilleur résultat.
Comme nous l’avons indiqué, nous travaillerons avec une configuration de type IPS-HA avec des molécules possédant un ∆𝜀 > 0. L’orientation géométrique des polariseurs et des molécules à l’intérieur de la cellule est rappelée ci-dessous :
- Polariseur d’entrée à 93° ;
- Pré-twist de 93° (90° d’alignement initial + 3° supplémentaire pour forcer les molécules à s’orienter dans le sens trigonométrique) ;
- Pré-tilt à 0°.
Le design de la cellule est basé sur l’utilisation de deux paires d’électrodes perpendiculaires. L’utilisation de trois variantes de design est possible.
- Le premier design (figure 110) consiste à séparer les électrodes d’adressages et d’effacements par une couche d’isolant. Ce qui nous donne deux niveaux distincts. Nous aurons donc un niveau enterré et un niveau en surface. Ce design sera appelé dans la suite : « configuration 1 » ; - Le deuxième design (figure 111) consiste à placer toutes les électrodes sur le même substrat. Elles
seront donc en surface. Nous appellerons ce design : « configuration 2 » ;
- Le dernier design (figure 112) consiste à placer les électrodes d’effacements sur le substrat du haut. Nous appellerons ce design : « configuration 3 ».
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Figure 110 : Schéma simplifié de la configuration 1 présentant la vue de côté et la vue de dessus
Figure 111 : Schéma simplifié de la configuration 2 présentant la vue de côté et la vue de dessus
Figure 112 : Schéma simplifié de la configuration 3 présentant la vue de côté et la vue de dessus
En analysant la position des électrodes d’adressages (représentées par les électrodes « + » et « - » sur les figures 110, 111 et 112), nous reconnaissons une configuration similaire à celle étudiée dans le chapitre 3. Le fait d’avoir une électrode « + » au centre du pixel, pour le diviser en deux sous pixels, permet de diminuer l’espace interélectrodes et donc de diminuer la tension de seuil. Cette configuration sera commune aux 3 configurations.
Les figure 110a et b représentent une vue de côté et du dessus d’une version simplifiée de la configuration 1 où les électrodes de retour sont enterrées sous une couche d’isolant (représentées en jaune). Sur la figure 110b, les électrodes enterrées sont indiquées en traits pointillés.
136 L’épaisseur d’isolant joue ici un rôle important. En effet, si elle est trop faible, la perturbation entre les deux électrodes sera favorisée. Si elle est trop élevée, la tension nominale des électrodes de retour sera trop élevée.
Les figure 111a et b présentent également sur les deux vues une configuration où les électrodes sont toutes aux mêmes niveaux. Cette configuration supprime la couche d’isolant, ce qui permet de diminuer la tension d’adressage des électrodes de retour. La réalisation de cette configuration est cependant plus complexe que celle de la configuration 1.
Les figure 112a et b représentent la dernière configuration qui consiste à placer les électrodes d’effacement sur le substrat du haut. Technologiquement plus simple à réaliser, elle nécessite cependant alignement précis pour garder les deux niveaux électrodes perpendiculaires.
Sur l’ensemble de toutes ces configurations est que les électrodes d’adressages sont directement en contact avec la couche de CL. Pour calculer l’épaisseur de CL permettant d’obtenir la transmittance maximale, nous pouvons effectuer une simplification pour diminuer le temps de calcul. La simplification consiste à commencer notre étude par l’analyse d’une cellule IPS simple sans électrodes de retour. Celle-ci sera composée uniquement des électrodes d’adressages et d’une couche de CL d’épaisseur variable.
3.2.1. Recherche de l’épaisseur de cristal liquide permettant d’obtenir en sortie la transmittance optimale
Figure 113 : Plan de coupe du pixel d'étude pour mesure d’épaisseur optimale (LCDMaster 2D)
Sur la figure 113, nous avons désigné une cellule comportant uniquement les électrodes d’adressages sous LCDMaster 2D. Pour être le plus proches de la réalité, nous avons décidé de ne plus négliger l’épaisseur des électrodes fixées constantes à 0,2 µm.
L’épaisseur d’oxyde sur le substrat du haut 𝑑𝑖 comme dans le chapitre est 3 est fixé à 0,5 µm.
La longueur du pixel d’étude est de 5 µm. Ce pixel est composé de deux sous pixels de pas « P » de 2,5 µm. Par conséquent, le pas « P » entre deux électrodes est fixé à 2,5 µm. La largeur des électrodes est fixée à 0,6 µm. Nous en déduisons un espace interélectrodes de 1,9 µm. Ces paramètres sont fixes pour l’ensemble des configurations étudiées dans ce chapitre.
Ces paramètres serviront de base à toutes les architectures que nous allons designer par la suite. La modification des paramètres sera indiquée.
En analysant le deuxième sinus carré de l’équation (2.1), nous pouvons en déduire qu’il existe une valeur de l’épaisseur de CL « d » maximisant le sinus carré. L’équation (2.1) montre que nous devrions
137 obtenir une courbe en cloche. Nous recherchons également l’épaisseur la plus faible possible pour maximiser les performances, nous recherchons donc le premier maximum du terme en sinus carré. Les différentes épaisseurs testées vont de 1 à 3 µm et la transmittance a été calculée pour des pas de 0,1 µm. Grâce à ces différentes mesures, nous pouvons tracer la transmittance moyenne (transmittance moyennée sur l’ensemble du pixel) maximale en fonction de l’épaisseur.
0 5 10 15 20 0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 Tr an smitta nce mo yen ne Tension d'adressage (V) d=1 µm Tmax = 0,07 a) 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 Tr an smitta nce mo yen ne ma ximale Epaisseur (µm) Tmax = 0,17 b)
Figure 114 : Évolution de la transmittance en fonction de la tension pour d= 1 µm (a) / Évolution de la transmittance moyenne maximale en fonction de l'épaisseur (b)
La figure 114a représente l’évolution de la transmittance en fonction de la tension pour d= 1 µm. Comme nous l’avons prédit, nous obtenons une courbe en cloche pour cette épaisseur avec une transmittance maximale de 0,07 pour une tension de 8V.
Pour chaque simulation effectuée, nous allons repérer la transmittance maximale et la tracer en fonction de l’épaisseur.
La figure 114b représente l’évolution de la transmittance moyenne maximale mesurée sur chaque simulation d’épaisseur allant de 1 µm à 3 µm. Comme nous pouvons l’observer, la transmittance maximale varie de manière à atteindre un maximum puis décroit de nouveau pour des épaisseurs plus grandes. L’intervalle de mesure a donc été choisi de cette façon, car nous obtenons le premier maximum pour d= 2 µm (transmittance de 0,17).
La valeur de d= 2 µm est donc retenu pour les différents designs. La tension d’adressage correspondante est d’environ 5V. Cependant d’autres paramètres tels que la largeur des électrodes et donc l’espace interélectrodes influencent la tension de seuil. Par la suite, nous indiquerons si ces paramètres seront modifiés.
Le dernier paramètre que nous devons fixer est le choix des matériaux : - L’oxyde isolant :
La cellule sera fabriquée dans les salles blanches du LETI, nous avons un choix limité dans le type de matériaux. De plus, pour chaque matériau il faut prendre en compte sa tension limite de claquage (qui dépend de l’épaisseur) sachant que plus l’épaisseur est grande, plus la tension des électrodes enterrées nécessaire pour faire bouger les cristaux liquides sera élevée. Notre choix se donc porte sur du 𝑆𝑖𝑂2.
- Les électrodes sont choisies en un matériau non transparent, le cuivre.
Commençons notre étude par la configuration 1 où nous allons étudier ses performances et sa capacité à optimiser le temps de retour.
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