Remplissage des cellules à CL

Le remplissage des cellules de CL peut être réalisé par différentes méthodes. Cette étape est cruciale, car elle peut générer des défauts d’ancrage des CL et altérer les propriétés optiques du composant. Cette étape doit être réalisée à une température supérieure à la TC des CL pour

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qu’il n’y ait pas de pré-orientation des molécules et que l’orientation des CL soit uniforme. Une première méthode consiste à faire un remplissage par capillarité. On fait en sorte qu’après le scellement de la cellule, des ouvertures soient laissées de part et d’autre de la cellule et on introduit le CL par capillarité. Ce processus de remplissage peut s’avérer très lent et n’est pas adapté à nos cellules de dimensions réduites, car les CL pénètrent difficilement sur de grandes distances (~1 cm). Nos premiers tests réalisés sur plaque chauffante n’ont pas été concluants, malgré l’utilisation d’une aspiration par l’ouverture opposée pour augmenter la vitesse de remplissage. Il est préférable d’utiliser un remplissage par capillarité dans une étude sous vide (Figure II-22).

Figure II-22 : Schéma du principe de fonctionnement du remplissage par capillarité sous vide

Une technique alternative repose sur un remplissage par pression différentielle. La cellule reste ouverte uniquement sur un de ses côtés et l’échantillon est placé dans une enceinte sous vide. Une fois le vide réalisé dans l’enceinte, l’entrée de l’échantillon est plongée dans les CL puis la pression est rétablie dans l’enceinte. Cette pression fait remonter les CL à l’intérieur de la cellule. Cette méthode est plus rapide que le remplissage par capillarité et elle permet d’avoir un remplissage plus uniforme des CL sur de plus grandes surfaces.

Mise en place d’une technique de remplissage différentiel sous vide

Pour remplir nos microcellules, nous avons mis au point une méthode de remplissage basée sur le principe de pression différentielle sous vide (Figure II-23). On place l’échantillon sur un support au-dessus d’un bac contenant les CL dans une enceinte qui est pompée pour atteindre un vide primaire. L’enceinte est chauffée pour se placer au-dessus de la température de clarification (TC) du CL, puis à l’aide d’un système mécanique, manuel ou électrique, le

porte-échantillon est translaté verticalement pour immerger l’entrée des cellules dans le bac à CL. Une fois l’entrée des microcellules plongée dans le réservoir à CL, La chambre est ramenée à la pression atmosphérique et grâce au principe de pression différentielle, les CL remontent rapidement dans les microcellules. Cette méthode permet un remplissage sur plusieurs centimètres des cellules sans risques de piéger des bulles d’air. Nous allons maintenant détailler les deux systèmes de remplissage successifs développés durant ces travaux de thèse.

Enceinte de remplissage

Echantillon

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Figure II-23 : Schéma de principe du fonctionnement du remplissage différentiel sous vide

Système de cloche à vide

Le premier système de remplissage que nous avons utilisé consiste en une simple cloche à vide connectée à une pompe à palette capable d’atteindre un vide de 0,2 mbar (Figure II-24 (a)). Une lampe halogène permet de chauffer les CL et les cellules à travers les parois pour que l’ensemble soit au-dessus de la température de clarification. Un réservoir pour CL est placé à la verticale du support porte-échantillon. Celui-ci est solidaire d’une tige que l’on utilise pour déplacer manuellement l’échantillon vers le réservoir une fois un vide suffisant atteint (Figure II-24 (b)). Deux thermocouples en contact avec l’échantillon et le réservoir de CL permettent de mesurer leur température.

Figure II-24 : Photo du premier dispositif de remplissage à vide sous cloche

Ce dispositif est relativement complexe à cause de la nécessité de laisser passer les câbles servant au chauffage et à la mesure de la température, tout en assurant une bonne étanchéité. De plus, la gestion de la température est particulièrement difficile à réaliser. Or la température doit absolument être supérieure à la température de clarification lors du remplissage, sans quoi les CL gardent leur arrangement sur de faibles distances, ce qui crée des domaines qui perdurent après remplissage. Pour valider ce système de remplissage, nous avons commencé par remplir des microcellules de test fabriquées entre deux morceaux de verre avec un réseau nano-imprimé sur une des deux faces et réalisé des observations microscopiques de l’alignement. Puis nous

Enceinte de remplissage Echantillon Remise sous pression atmosphérique CLs Déplacement (manuel ou motorisé) (a) (b)

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avons réitéré le test avec deux morceaux de verre avec ITO pour pouvoir piloter les CL en tension. Malheureusement, cette première méthode de remplissage ne s’est pas avérée optimale car nous ne pouvions ni mesurer la pression ni la température à l’intérieur de l’enceinte. De plus la manipulation de l’échantillon se fait manuellement par le biais d’une tige métallique et il n’est pas possible de dépasser 90/100 °C ce qui nous limite dans le choix des CL.

Malgré tout, ce dispositif a permis de réaliser nos premiers remplissages, mais de façon peu reproductible, tout en limitant le choix des CL que l’on peut utiliser. C’est pourquoi nous avons abandonné ce dispositif au cours de la thèse au profit d’une étuve à vide contrôlée capable de monter jusqu’à 200 °C.

Étuve à vide et porte-échantillon motorisé

Pour pouvoir utiliser des CL de biréfringences variées, nous avons besoin de monter plus haut en température, car la température de clarification de certains CL peut parfois dépasser 150 °C, ce qui est incompatible avec les performances de la cloche sous vide et de chauffage par lampe halogène préalablement utilisés. Nous avons donc acquis une étuve à vide VT 6060 M de Thermo Scientific. Elle garantit une bonne étanchéité au vide et son système de chauffe par parois chauffantes permet un contrôle plus fin de la température de l’enceinte (précision à 1 °C). De plus, le chauffage par convection garantit une température identique pour le réservoir à CL et le porte-échantillon. Sur la Figure II-25, on peut voir cette étuve dédiée au remplissage ainsi que le dispositif de trempage motorisé par un petit moteur NEMA 17 développé par l’IMT Atlantique. L’étuve est équipée d’un passe-cloison à l’arrière, ce qui permet de faire passer tous les câbles d’alimentation sans aucune perte au niveau du vide.

Figure II-25 (a) Image de l’étuve à vide de remplissage et (b) dispositif de déplacement motorisé

La procédure de remplissage est légèrement différente de la précédente. Comme le chauffage vient des parois, on ne fait pas le vide avant, sans quoi la montée en température est extrêmement lente. Le réglage de la température est réalisé simplement à l’aide d’un afficheur numérique comme pour un four traditionnel. Une fois l’enceinte à la température visée, l’ouverture d’une vanne permet à une pompe à palettes d’atteindre des pressions limites proches de ~10-5 _{bar, comparable à celle de l’ancien système, mais cette étuve-ci dispose d’un}

manomètre qui permet de suivre en temps réel la pression à l’intérieur de l’étuve.

Nous allons maintenant présenter l’étude comparative des deux dispositifs qui a permis de valider l’utilisation de cette étuve dédiée au remplissage des CL.

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Comparaison des deux systèmes de remplissage

Nous avons comparé les observations au microscope optique polarisé obtenues avec les deux systèmes de remplissage sous vide, en fabriquant les mêmes cellules tests de géométrie identique, avec un réseau d’ancrage de 780 nm de période et remplies par le CL E7 qui a une température de clarification assez faible (TC ≈ 70 °C). Dans les deux cas, on note l’absence de

bulles à l’intérieur de la cellule, mais on voit bien que pour le système avec la cloche à vide (Figure II-26 (a)) plusieurs couleurs apparaissent et traduisent la dispersion d’indice liée à une inhomogénéité dans l’orientation des CL. Comme attendu, la couleur, et donc l’orientation des CL, est plus uniforme en utilisant l’étuve à vide que la cloche à vide (Figure II-26 (b)).

Figure II-26 : Vue au microscope polarisé de cellules remplie dans la cloche(a) dans l’étuve à (b)

Suite à ces différentes mises au point expérimentales, nous avons pu concevoir un procédé de fabrication complet avec deux types d’espaceurs différents et nous allons maintenant en résumer les étapes.

3. Procédé générique de fabrication de microcellules à CL à espaceurs polymères