Paramétrage géométrique de la cellule

Pour pouvoir caractériser les performances en modulation de phase, nous allons détailler l’implémentation des 3 configurations dans le logiciel.

55 La configuration IPS étant commune aux 3 types d’alignement, seul l’alignement à l’état initial des molécules change. Il est donc possible de créer une structure commune pour les 3 alignements.

Figure 39 : Schéma de la cellule IPS étudiée en simulation

Une cellule IPS de base est représentée sur la figure 39, les électrodes sont représentées en rouge, la couche de cristal liquide en bleu et l’isolant en jaune.

Nous avons négligé ici l’épaisseur des électrodes qui augmente le temps de calcul sans modifier les résultats finaux.

Les paramètres géométriques de la cellule sont donc : - 𝑑_𝑖 : Épaisseur d’isolant sous le substrat du haut ; - 𝑑 : Épaisseur de la couche de cristaux liquides ; - 𝑤 : Largeur des électrodes ;

- 𝑃 : Pas des électrodes.

Les zones en grises sont les substrats de verre que nous fixons ici à 1 mm d’épaisseur. L’épaisseur 𝑑_𝑖 permet de simuler une éventuelle électrode verticale non adressée.

La différence entre les 3 configurations provient des orientations initiales des molécules (twist, prétwist). Sous LCDMaster, les paramètres d’orientation des molécules sont résumés sur les schémas de la figure 40 ci-dessous :

56 La figure 40 définie comment l’alignement des molécules à l’état initial est implémenté sous LCDMaster ainsi que les repères fixes et non fixes utilisés.

Sur la figure 40a, il est représenté la vue de dessus du substrat du bas. La figure 40b, représente une vue de côté d’une cellule à cristaux liquides représentée uniquement par le substrat du haut et du bas.

Dans un repère fixe (x,y,z) nous pouvons définir :

- Le pré-twist qui se défini comme la position angulaire des molécules sur le plan (x,y) sur le substrat du bas (celui par lequel arrive la lumière) à l’état initial ;

- Le twist qui représente le mouvement de torsion des molécules entre le substrat du bas et du haut ;

- Le pré-tilt qui, quant à lui, correspond à l’angle que fait les molécules dans le plan (x,z) par rapport au substrat, c’est-à-dire l’alignement vertical. Il peut être positif ou négatif comme indiqué sur la figure 40b.

Les configurations étudiées seront faites en « normally black », ce qui aura une influence sur la position des polariseurs.

Les 3 alignements vont donc être implémentés de la manière suivante :

Configuration 1 : IPS-HA Molécules avec un Δε > 0 :

- 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°.

Molécules avec un Δε < 0 :

- Polariseur d’entrée à 3° ;

- Pré-twist de 3° (0° d’alignement initial + 3° supplémentaire pour forcer les molécules à s’orienter dans le sens trigonométrique) ;

- Pré-tilt à 0°.

Configuration 2 : IPS-VA Molécules avec un Δε > 0 :

- Polariseur d’entrée à 45° ; - Pré-twist à 0° ;

- Pré-tilt des molécules à 88° sur les deux substrats (90° d’alignement initial -2° supplémentaire pour forcer les molécules à s’orienter dans le même plan que le champ électrique).

Configuration 2 : IPS-TN Molécules avec un Δε > 0 :

- Polariseur d’entrée est à 93° ;

- Pré-twist de 93° (90° d’alignement initial + 3° supplémentaire pour forcer les molécules à s’orienter dans le sens trigonométrique) ;

57 - Pré-tilt à 0°.

Molécules avec un Δε < 0 :

- Polariseur d’entrée est à 3° ;

- Pré-twist de 3° (0° d’alignement initial + 3° supplémentaire pour forcer les molécules à s’orienter dans le sens trigonométrique) ;

- Twist à 90° ; - Pré-tilt à 0°.

L’ancrage des molécules consiste à traiter une surface (ici les deux substrats) afin que les molécules qui y sont en contact restent à une valeur de pré-twist et de pré-tilt fixes pour toute valeur de tension. Cela correspond à un ancrage dit « fort ». Il y a également la possibilité de choisir un ancrage « faible », ou le couple pré-twist/pré-tilt varie légèrement en fonction du champ électrique et donc de la tension. Nous choisissons ici un ancrage « fort ». Cela signifie que l’énergie surfacique d’ancrage s’exprimant en J/m² est suffisamment élevée pour que les molécules proches des bords de la cellule restent dans leur position initiale (ou bougent très peu).

Sur la figure 39, lorsque nous somme au bord de la cellule (au point 0 µm et 5 µm). Le logiciel nous offre plusieurs possibilités de conditions limites.

La première est de mettre une limite physique à la cellule et donc de stopper le champ électrique ainsi que les équipotentielles au bord de la cellule. Ce mode est appelé « Neumann » ;

La seconde est d’imposer comme condition limite au logiciel, une répétition « virtuelle » de la cellule au niveau des bords de la cellule. Ce mode est nommé « Periodic ». Cette condition limite a pour effet de prolonger le champ électrique et par conséquence les équipotentielles. Il permet d’avoir un champ non nul sur les bords de la cellule désignée. Cette condition limite a pour effet de répéter virtuellement le motif désigné et affiché à l’écran.

Les simulations s’effectueront sur un seul pixel, nous faisons en sorte que le logiciel travaille avec un motif qui se répète en activant le mode « Periodic ».

Les simulations s’effectuent par la méthode des éléments finis (FEM en anglait) en subdivisant la cellule en grand nombre d’éléments formant une grille (mesh en anglais). Le nombre de subdivisions est à choisir en fonction de la précision des résultats souhaités, de la complexité et de l’espacement des éléments de la cellule.

Une fois la cellule définie et le calcul effectué, le logiciel renvoie le déphasage à n’importe quel point de la cellule. Nous avons vu au chapitre précédent que pour une configuration de type IPS (peu importe l’orientation des molécules), le mouvement des molécules est optimal lorsque nous sommes équidistants entre les deux électrodes d’adressage.

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Figure 41 : Point de mesure du déphasage de la cellule

La figure 41, reprend la configuration introduite sur la figure 40 en y rajoutant la polarisation des électrodes et les points de mesures. Les points « a » et « b » situés au milieu de l’espace interélectrodes, représentent les points de mesures où le déphasage est maximal.

Les résultats de mesures de déphasage présentés par la suite seront toujours mesurés sur le point a ou b. Dans le cas contraire, la zone où seront faites les mesures sera indiqué. Cela se produira principalement pour la configuration IPS-VA.

Sur la figure 41, nous pouvons observer que le pixel a été décomposé en deux sous pixels de 2,5 µm chacun (longueur du pas des électrodes), car, il y a une électrode « + » positionnée au milieu de la cellule et une électrode « - » positionnée sur chaque bord. Ce choix a été défini pour obtenir les meilleures performances en fournissant la tension la plus faible possible. La largeur des électrodes sera choisie ici à 1 µm et sera diminuée par la suite.

Nous ferons varier l’épaisseur de CL entre 1 µm et 6 µm par pas de 0,2 µm. Cette grande plage d’épaisseur permettra d’obtenir un panel de comportements différents. Au-delà de 6 µm, nous estimons que le temps de réaction des molécules est trop élevé. Enfin, l’épaisseur 𝑑𝑖 est choisie à 0,5 µm. Celle-ci sera constante pour l’ensemble des configurations.