Conception par voie magnétique de couches d'alignement pour dispositifs d'affichage à cristaux liquides

AUDREY CLOUTIER

Conception par voie magnétique de couches d’alignement

pour dispositifs d’affichage à cristaux liquides

Mémoire présenté

à la Faculté des études supérieures et postdoctorales de l’Université Laval dans le cadre du programme de maîtrise en physique

pour l’obtention du grade de Maître ès Sciences (M.Sc.)

Faculté des sciences et de génie UNIVERSITÉ LAVAL

QUÉBEC

2011

Résumé

En raison de la multitude d’applications où ils sont appelés à être utilisés, les exigences envers les dispositifs d’affichage à cristaux liquides sont toujours plus élevées et variées. La qualité de ces dispositifs est grandement influencée par le mode de fabrication des couches d’alignement qui permettent de déterminer l’orientation initiale des cristaux liquides, et l’éla-boration d’une méthode sans contact performante serait particulièrement bénéfique pour ré-pondre à ces exigences.

Ce projet vise à évaluer deux nouvelles stratégies de production des couches d’aligne-ment à l’aide d’un champ magnétique. La première consiste à préparer une couche composite comportant des nanoparticules magnétiques qui sont orientées grâce à un champ magnétique externe puis fixées en polymérisant la matrice, le champ net de cette couche devant à son tour aligner les cristaux liquides adjacents. Le deuxième volet mise plutôt sur l’utilisation de mé-sogènes réactifs, qui sont alignés grâce à un champ magnétique puis polymérisés afin de fixer cet alignement, qui peut ensuite être transmis au cristal liquide. Les travaux entrepris n’ont pas permis de confirmer la possibilité d’employer ces approches pour l’alignement des cris-taux liquides, mais les principaux obstacles au succès de ces méthodes et certaines avenues prometteuses ont pu être identifiés.

Je tiens à remercier pour leurs contributions, leur support et leurs conseils : Tigran Galstian, mon directeur de maîtrise, Les collègues de mon groupe de recherche, Le groupe de recherche de Mme Anna Ritcey et tout particulièrement Jean-Philippe Déry, Les employés de TLCL, Ainsi que le personnel de soutien du COPL.

Table des matières

Résumé ii

Table des matières iv

Liste des tableaux vii

Table des figures viii

1 Introduction 1

1.1 Développement des afficheurs à cristaux liquides . . . 1

1.2 Méthodes d’alignement . . . 2

1.3 Structure du mémoire . . . 4

2 Les cristaux liquides 5 2.1 Types et structures . . . 5 2.1.1 Mésogènes . . . 5 2.1.2 Niveaux d’ordre . . . 7 2.1.3 Mésophases . . . 8 2.2 Alignement . . . 10 2.2.1 Élasticité . . . 10 2.2.2 Alignement induit . . . 11 2.3 Propriétés optiques . . . 19 2.3.1 Polarisation . . . 19 2.3.2 Biréfringence . . . 22 2.3.3 Activité optique . . . 24

2.4 Afficheurs à cristaux liquides . . . 25

2.4.1 Cellule de base . . . 25 2.4.2 Modes d’opération . . . 26 3 Méthodes et matériaux 28 3.1 Substrats . . . 28 3.1.1 Lames . . . 28 3.1.2 Nettoyage . . . 29

v

3.2 Couches d’alignement . . . 30

3.2.1 Matériaux . . . 30

3.2.2 Déposition . . . 30

3.2.3 Source magnétique . . . 32

3.3 Assemblage des cellules . . . 33

3.3.1 Espaceurs . . . 34

3.3.2 Cristaux liquides . . . 34

3.3.3 Fixation et remplissage des cellules . . . 34

3.3.4 Électrodes . . . 37

3.4 Analyses . . . 37

3.4.1 Microscope à force atomique . . . 37

3.4.2 Profilométrie . . . 38

3.4.3 Imagerie en lumière polarisée . . . 39

3.4.4 Polarimétrie . . . 41

4 Alignement à l’aide de nanocomposites magnétiques 45 4.1 État du sujet . . . 46

4.1.1 Alignement par voie magnétique . . . 46

4.1.2 Nanocomposites . . . 47 4.1.3 Dispersion . . . 47 4.1.4 Propriétés magnétiques . . . 48 4.1.5 Propriétés optiques . . . 51 4.1.6 Travaux préliminaires . . . 52 4.2 Matériaux et manipulations . . . 52 4.2.1 Matrice . . . 53 4.2.2 Solvant . . . 54 4.2.3 Particules . . . 55

4.2.4 Préparation des couches . . . 56

4.2.5 Assemblage . . . 57

4.3 Résultats expérimentaux . . . 59

4.3.1 Couches d’alignements sans particules . . . 60

4.3.2 Couches d’alignement sans champ appliqué . . . 65

4.3.3 Couches d’alignement avec un champ magnétique parallèle appliqué . 70 4.3.4 Couches d’alignement avec un champ magnétique perpendiculaire appliqué . . . 75

4.3.5 Synthèse des résultats . . . 80

4.4 Analyse des résultats . . . 82

4.4.1 Polarimétrie avec rotation dans le plan . . . 82

4.4.2 Polarimétrie avec rotation hors plan . . . 84

4.4.3 Étude des couches d’alignement . . . 86

vi

4.5 Conclusion . . . 89

5 Alignement à l’aide de mésogènes réactifs 91 5.1 État du sujet . . . 91

5.1.1 Mésogènes réactifs . . . 92

5.1.2 Polymérisation . . . 93

5.1.3 Couches minces de mésogènes réactifs . . . 93

5.1.4 Alignement magnétique des mésogènes réactifs . . . 94

5.1.5 Alignement des cristaux liquides grâce aux mésogènes réactifs . . . . 94

5.2 Matériaux et manipulations . . . 95

5.2.1 Mésogènes réactifs . . . 95

5.2.2 Solutions . . . 96

5.2.3 Préparation des couches . . . 97

5.2.4 Assemblage des cellules . . . 99

5.3 Résultats expérimentaux . . . 101

5.3.1 Couches d’alignement de RM257 sans champ magnétique appliqué . 102 5.3.2 Couches d’alignement de RM257 avec un champ magnétique paral-lèle appliqué . . . 107

5.3.3 Couches d’alignement de RMS03-015 sans champ magnétique appliqué 112 5.3.4 Couches d’alignement de RMS03-015 préparées avec un champ ma-gnétique appliqué à 30° de la normale . . . 117

5.3.5 Synthèse des résultats . . . 121

5.4 Analyse des résultats . . . 123

5.4.1 Polarimétrie avec rotation dans le plan . . . 123

5.4.2 Polarimétrie avec rotation hors plan . . . 127

5.4.3 Profil de surface . . . 129

5.4.4 Hypothèses . . . 129

5.5 Conclusion . . . 131

6 Conclusion 132

Liste des tableaux

3.1 Propriétés du cristal liquide E7 . . . 35 4.1 Propriétés du monomère CD-802 de Sartomer . . . . 54 4.2 Mesures de polarimétrie et épaisseur des couches d’alignement avec

nano-particules . . . 81 5.1 Mesures de polarimétrie pour l’alignement planaire et épaisseur des couches

d’alignement mésogéniques . . . 122 5.2 Mesures de polarimétrie pour l’alignement vertical des couches d’alignement

Table des figures

1.1 Machine utilisée pour le frottement des couches d’alignement . . . 3

2.1 Anisotropie de forme, mésogène nématique . . . 6

2.2 Molécule de p-azoxyanisole (PAA) . . . 6

2.3 Évolution des phases en fonction de la température pour un thermotrope . . . 8

2.4 Quelques types de phases adoptées par les cristaux liquides . . . 9

2.5 Déformations fondamentales des cristaux liquides . . . 11

2.6 Angles azimutal_{φ et d’inclinaison θ du directeur n . . . 12}

2.7 Alignements aux surfaces . . . 14

2.8 Configuration de mésophases sur une surface courbée . . . 15

2.9 Quelques configurations de mésophases obtenues grâce au contrôle des surfaces 16 2.10 Axes pour une couche mince de cristal liquide . . . 17

2.11 Alignement rigide . . . 18

2.12 Transitions de Fréedericksz . . . 19

2.13 Composante électrique d’une onde lumineuse se propageant enz . . . 20

2.14 Quelques exemples de polarisation . . . 21

2.15 Configurations de polariseurs . . . 22

2.16 Activité optique . . . 24

2.17 Composantes d’une unité d’affichage à cristaux liquides . . . 25

2.18 Quelques configurations de cellules de cristaux liquides . . . 27

3.1 Topographie d’une lame de verre avec ITO après nettoyage . . . 29

3.2 Dépôt par spin-coating . . . 31

3.3 Dépôt par dip-coating . . . 32

3.4 Aimant NdFeB . . . 33

3.5 Composition du cristal liquide E7 . . . 35

3.6 Assemblage d’une cellule . . . 36

3.7 Microscope à force atomique . . . 38

3.8 Macrophotographies en lumière polarisée - cellules planaires uniformes . . . 40

3.9 Montage pour l’évaluation de l’alignement planaire . . . 41

3.10 Transmission d’une lame demi-onde - montage pour l’alignement planaire . . 42

ix

3.12 Axes de rotation - montage pour l’alignement vertical . . . 43 4.1 Macrophotographies - cellules réalisées avec des couches de CD-802 frottées

ou non frottées . . . 55 4.2 Alignement des particules du nanocomposite grâce au champ magnétique . . 57 4.3 Photomicrographies - cellules remplies à Tamb et TN I, réalisées avec des

couches de CD-802 frottées ou non frottées . . . 58 4.4 Photomicrographies des couches de CD-802 sans particules . . . 60 4.5 Profils AFM des couches de CD-802 sans particules . . . 61 4.6 Photographies en lumière polarisée de cellules réalisées avec des couches de

CD-802 sans particules . . . 62 4.7 Transmission en fonction de l’angle azimutal - cellules réalisées avec des

couches de CD-802 sans particules . . . 63 4.8 Transmission en fonction de l’inclinaison (rotation autour de l’axe court)

-cellules réalisées avec des couches de CD-802 sans particules . . . 63 4.9 Transmission en fonction de l’inclinaison (rotation autour de l’axe long)

-cellules réalisées avec des couches de CD-802 sans particules . . . 64 4.10 Photomicrographies des couches de CD-802 avec nanoparticules de MnFe₂O₄,

préparées sans champ magnétique . . . 65 4.11 Profils AFM des couches de CD-802 avec nanoparticules de MnFe₂O₄,

pré-parées sans champ magnétique . . . 66 4.12 Photographies en lumière polarisée de cellules réalisées avec des couches de

CD-802 avec nanoparticules de MnFe₂O₄, préparées sans champ magnétique 67 4.13 Transmission en fonction de l’angle azimutal - cellules réalisées avec des

couches de CD-802 avec nanoparticules de MnFe₂O₄, préparées sans champ magnétique . . . 68 4.14 Transmission en fonction de l’inclinaison (rotation autour de l’axe court)

-cellules réalisées avec des couches de CD-802 avec nanoparticules de MnFe₂O₄, préparées sans champ magnétique . . . 68 4.15 Transmission en fonction de l’inclinaison (rotation autour de l’axe long) -

cel-lules réalisées avec des couches de CD-802 avec nanoparticules de MnFe₂O₄, préparées sans champ magnétique . . . 69 4.16 Photomicrographies des couches de CD-802 avec nanoparticules de MnFe₂O₄,

préparées avec champ magnétique parallèle à la couche . . . 70 4.17 Profils AFM des couches de CD-802 avec nanoparticules de MnFe₂O₄,

pré-parées avec champ magnétique parallèle à la couche . . . 71 4.18 Photographies en lumière polarisée de cellules réalisées avec des couches de

CD-802 avec nanoparticules de MnFe₂O₄, préparées avec champ magnétique parallèle à la couche . . . 72

x

4.19 Transmission en fonction de l’angle azimutal - cellules réalisées avec des couches de CD-802 avec nanoparticules de MnFe₂O₄, préparées avec champ magnétique parallèle à la couche . . . 73 4.20 Transmission en fonction de l’inclinaison (rotation autour de l’axe court)

-cellules réalisées avec des couches de CD-802 avec nanoparticules de MnFe₂O₄, préparées avec champ magnétique parallèle à la couche . . . 73 4.21 Transmission en fonction de l’inclinaison (rotation autour de l’axe long) -

cel-lules réalisées avec des couches de CD-802 avec nanoparticules de MnFe₂O₄, préparées avec champ magnétique parallèle à la couche . . . 74 4.22 Photomicrographies des couches de CD-802 avec nanoparticules de MnFe₂O₄,

préparées avec champ magnétique perpendiculaire à la couche . . . 75 4.23 Profils AFM des couches de CD-802 avec nanoparticules de MnFe₂O₄,

pré-parées avec champ magnétique perpendiculaire à la couche . . . 76 4.24 Photographies en lumière polarisée de cellules réalisées avec des couches de

CD-802 avec nanoparticules de MnFe₂O₄, préparées avec champ magnétique perpendiculaire à la couche . . . 77 4.25 Transmission en fonction de l’angle azimutal - cellules réalisées avec des

couches de CD-802 avec nanoparticules de MnFe₂O₄, préparées avec champ magnétique perpendiculaire à la couche . . . 78 4.26 Transmission en fonction de l’inclinaison (rotation autour de l’axe court)

-cellules réalisées avec des couches de CD-802 avec nanoparticules de MnFe₂O₄, préparées avec champ magnétique perpendiculaire à la couche . . . 78 4.27 Transmission en fonction de l’inclinaison (rotation autour de l’axe long) -

cel-lules réalisées avec des couches de CD-802 avec nanoparticules de MnFe₂O₄, préparées avec champ magnétique perpendiculaire à la couche . . . 79 4.28 Photomicrographie - Texture du cristal liquide à proximité d’amas de

parti-cules de CoNi . . . 85 4.29 Photomicrographie - couche d’alignement composée de PMMA et de

parti-cules de CoNi . . . 89 5.1 Structure du mésogène réactif RM257 . . . 96 5.2 Alignement du mésogène réactif RMS03-015 grâce au champ magnétique . . 97 5.3 Topographie d’une couche mince de polyimide déposée par spin-coating . . . 98 5.4 Alignement du mésogène réactif RM257 grâce au champ magnétique . . . . 99 5.5 Photomicrographies - cellules réalisées avec des couches de RM257 déposées

sur des substrats de polyimide frottés . . . 100 5.6 Photomicrographies des couches de RM257, préparées sans champ magnétique 102 5.7 Profils AFM des couches de RM257, préparées sans champ magnétique . . . 103 5.8 Photographies en lumière polarisée de cellules réalisées avec des couches de

xi

5.9 Transmission en fonction de l’angle azimutal - cellules réalisées avec des couches de RM257 préparées sans champ magnétique . . . 105 5.10 Transmission en fonction de l’inclinaison (rotation autour de l’axe court)

-cellules réalisées avec des couches de RM257 préparées sans champ magnétique106 5.11 Transmission en fonction de l’inclinaison (rotation autour de l’axe long)

-cellules réalisées avec des couches de RM257 préparées sans champ magnétique106 5.12 Photomicrographies des couches de RM257, préparées avec champ

magné-tique parallèle . . . 107 5.13 Profils AFM des couches de RM257, préparées avec champ magnétique

pa-rallèle . . . 108 5.14 Photographies en lumière polarisée de cellules réalisées avec des couches de

RM257 préparées avec champ magnétique parallèle . . . 109 5.15 Transmission en fonction de l’angle azimutal - cellules réalisées avec des

couches de RM257 préparées avec champ magnétique parallèle . . . 110 5.16 Transmission en fonction de l’inclinaison (rotation autour de l’axe court)

-cellules réalisées avec des couches de RM257 préparées avec champ magné-tique parallèle . . . 111 5.17 Transmission en fonction de l’inclinaison (rotation autour de l’axe long)

-cellules réalisées avec des couches de RM257 préparées avec champ magné-tique parallèle . . . 111 5.18 Profils AFM des couches de RMS03-015, préparées sans champ magnétique . 112 5.19 Photographies en lumière polarisée de cellules réalisées avec des couches de

RMS03-015 préparées sans champ magnétique . . . 113 5.20 Transmission en fonction de l’angle azimutal - cellules réalisées avec des

couches de RMS03-015 préparées sans champ magnétique . . . 114 5.21 Transmission en fonction de l’inclinaison (rotation autour de l’axe court)

-cellules réalisées avec des couches de RMS03-015 préparées sans champ ma-gnétique . . . 115 5.22 Transmission en fonction de l’inclinaison (rotation autour de l’axe long)

-cellules réalisées avec des couches de RMS03-015 préparées sans champ ma-gnétique . . . 116 5.23 Profils AFM des couches de RMS03-015, préparées avec champ magnétique

incliné à 30° de la normale . . . 117 5.24 Photographies en lumière polarisée de cellules réalisées avec des couches de

RMS03-015 préparées avec champ magnétique incliné à 30° de la normale . . 118 5.25 Transmission en fonction de l’angle azimutal - cellules réalisées avec des

couches de RMS03-015 préparées avec champ magnétique incliné à 30° de la normale . . . 119

xii

5.26 Transmission en fonction de l’inclinaison (rotation autour de l’axe court) -cellules réalisées avec des couches de RMS03-015 préparées avec champ ma-gnétique incliné à 30° de la normale . . . 120 5.27 Transmission en fonction de l’inclinaison (rotation autour de l’axe long)

-cellules réalisées avec des couches de RMS03-015 préparées avec champ ma-gnétique incliné à 30° de la normale . . . 120 5.28 Couches de RM257 préparées sans champ magnétique appliqué . . . 126 5.29 Transmission en fonction de l’orientation de la cellule (rotation autour de

Chapitre 1

Introduction

1.1

Développement des afficheurs à cristaux liquides

Au cours du 20e siècle, le développement rapide de nouveaux modes de communication de même que l’accessibilité accrue de ces technologies a entraîné une augmentation fulgu-rante du volume d’informations échangées quotidiennement. Le contenu accessible étant de plus en plus vaste et les usages toujours plus nombreux, les outils de communication mobile permettant d’accéder en tout lieu et à tout instant aux divers canaux d’information sont en forte demande. Dans un tel contexte, l’explosion de l’industrie des afficheurs à cristaux li-quides (ACL) n’est pas surprenante, puisque leur format réduit, leur facilité d’intégration aux diverses technologies et leur faible consommation d’énergie en font la réponse idéale aux besoins actuels.

Cette innovation relativement récente a parcouru beaucoup de chemin depuis la décou-verte des cristaux liquides au 19esiècle [1]. Suite à l’observation du botaniste autrichien Frie-drich Reinitzer, qui nota en 1888 l’apparition d’une phase laiteuse en chauffant le benzoate de cholestéryle de la phase solide à la phase liquide, le physicien allemand Otto Lehmann y reconnut l’existence d’une phase intermédiaire entre les phases solide et liquide, et proposa donc le terme de « cristal liquide » pour la désigner. Cette substance possédait en effet, entre 145 °C et 179 °C, la fluidité d’un liquide et la biréfringence d’un cristal (voir section 2.3).

Les travaux réalisés au cours des décennies suivantes permirent d’explorer les propriétés optiques des cristaux liquides, d’étudier l’effet de diverses forces sur leur structure et d’iden-tifier ou synthétiser de nouvelles molécules mieux adaptées à une utilisation technique. Bien que Mauguin ait reconnu dès 1911 la structure nématique en hélice qui serait plus tard à la base des écrans ACL [2], il fallut attendre les années 1960 pour qu’on produise un premier

1.2Méthodes d’alignement 2

afficheur électronique utilisant les cristaux liquides, lequel trouvera rapidement une utilisa-tion commerciale dans le marché des montres et des calculatrices. Ces premiers afficheurs fonctionnaient grâce au phénomène de diffusion dynamique, et il faudra par la suite encore plusieurs années de développement afin de développer les afficheurs utilisés aujourd’hui dans les écrans de nos ordinateurs portables.

Suivant la demande des utilisateurs, les afficheurs produits sont toujours plus petits (ou plus grands, les téléviseurs atteignant désormais des tailles considérables), minces, légers, rapides, précis, économiques et peu énergivores. Pour parvenir à réaliser de tels produits, de nouveaux matériaux doivent être mis au point, les dernières technologies de fabrication sont mises à contribution et de nouvelles stratégies d’opération sont mises à l’épreuve.

Très tôt dans le développement des écrans modernes, le mode nématique en hélice (twis-ted nematic, TN) fut retenu, en raison du bon contraste obtenu et de la faible tension de com-mande nécessaire à son fonctionnement [1]. Dans les années 1980-1990, le mode nématique supertorsadé fut cependant largement utilisé malgré ses déficiences au niveau du contraste et de la vitesse d’opération, en raison de son faible coût de production, jusqu’à ce que la technologie des transistors en couches minces (thin film transistor, TFT) soit assez mature pour permettre la production d’écrans en mode TN qui soient abordables tout en offrant une résolution, un contraste et une rapidité supérieurs.

Le développement des afficheurs à cristaux liquides se poursuit toujours afin d’améliorer les caractéristiques des écrans, notamment l’angle de vue, le contraste, les besoins énergé-tiques et la facilité de production. Malgré que cette technologie soit aujourd’hui omniprésente dans le monde des technologies de l’information, de nombreux défis restent encore à relever.

1.2

Méthodes d’alignement

L’utilisation des cristaux liquides comme commutateur optique dans les dispositifs d’af-fichage nécessite que l’on puisse contrôler très précisément la structure interne du matériau, à savoir l’orientation des molécules en fonction de leur position dans l’espace. En l’absence de toute autre force, ce sont les surfaces adjacentes qui permettent de déterminer cette orien-tation, tant dans le plan des surfaces que hors de ce plan. Un contrôle précis et flexible de ces paramètres est nécessaire au bon fonctionnement des afficheurs [3].

La méthode la plus largement utilisée pour créer une surface alignant les cristaux liquides consiste à frotter une couche de polymère à l’aide d’un tissu souple (voir équipement à la figure 1.1). Il existe d’autres méthodes de préparation des couches d’alignement, qui sont à

1.2Méthodes d’alignement 3

l’heure actuelle en cours de développement et principalement utilisées en laboratoire [3, 4]. Parmi celles-ci, notons l’impression de topologies périodiques par moulage d’un substrat polymérique, la déposition oblique en phase vapeur de métaux ou d’oxydes, le traitement chimique des surfaces et l’irradiation de substrats avec un faisceau d’ions. Une autre mé-thode alternative qui connaît présentement un grande popularité est le photo-alignement, qui consiste à altérer de façon anisotrope une couche de polymère en l’irradiant avec une lu-mière, généralement dans l’ultraviolet, ayant été polarisée ou filtrée à l’aide de masques ou de réseaux.

Figure 1.1 –Machine utilisée pour le frottement des couches d’alignement

Ces techniques possèdent cependant toutes des limitations, qui sont d’autant plus contrai-gnantes que les nouveaux produits développés poussent les exigences de l’industrie toujours plus loin. On souhaite ainsi augmenter la taille et la résolution des nouvelles générations de télévisions, améliorer leur angle de vue et leur rapidité d’opération, ou encore réduire la consommation d’énergie des appareils portatifs. Il est cependant difficile avec la méthode de frottement d’assurer l’uniformité du substrat sur une grande surface [4]. Par ailleurs, l’ac-cumulation de charges électrostatiques, la contamination et le contact mécanique peuvent endommager les filtres ou matrices requis pour le fonctionnement des écrans. Il est enfin impossible de produire un alignement multi-domaine avec cette méthode, et le contrôle de l’inclinaison (pretilt) est limité [3]. Le moulage présente lui aussi certains de ces problèmes, particulièrement au niveau de l’uniformité de la surface pour les substrats de grande taille.

Il y a donc un grand intérêt à développer des modes d’alignement sans contact, mais ces méthodes ont elles aussi leurs inconvénients. L’évaporation oblique, bien qu’elle puisse produire des alignements de grande qualité et offre une grande flexibilité au niveau du pretilt, est difficilement utilisable pour traiter des substrats de grande taille ou dans un contexte industriel [4]. Quant au photo-alignement, qui offre uniformité et précision même pour de

1.3Structure du mémoire 4

grandes surfaces et s’insère bien dans une chaîne de production industrielle, il présente encore certaines limitations au niveau de la stabilité de l’alignement, du vieillissement des matériaux et de la puissance d’illumination requise [4].

Le but de ce projet est donc d’explorer une nouvelle piste de solution, soit l’utilisation du magnétisme afin de modifier des substrats polymériques sans contact direct en vue de produire des couches capables d’aligner des cristaux liquides. Pour ce faire, deux stratégies distinctes sont proposées. Dans un premier temps, on utilise comme couche d’alignement un matériau nanocomposite, constitué de nanoparticules ferromagnétiques dispersées dans une matrice polymérique, dont les moments magnétiques sont orientés grâce à un champ magnétique externe et par la suite figés. Le champ net ainsi créé doit ensuite agir sur le cristal liquide pour lui imposer l’orientation voulue. La deuxième stratégie consiste à utiliser un mésogène réactif, soit un cristal liquide composé de molécules ayant la capacité de réagir entre elles pour former des liaisons polymériques, pour former une couche d’alignement. Celle-ci est alignée à l’état liquide grâce à un champ magnétique, puis polymérisée afin de figer cette orientation qui peut ensuite être transmise au cristal liquide adjacent. L’introduction des chapitres 4 et 5 ainsi que les sections 4.1 et 5.1 présentent plus en détails les raisons ayant movité les choix de ces méthodes, de même que l’état des connaissances liées à celles-ci et les défis qu’elles présentent.

1.3

Structure du mémoire

Le présent document expose dans un premier temps des éléments généraux de théorie concernant les diverses propriétés des cristaux liquides de même que la composition et le fonctionnement des dispositifs d’affichage qui les utilisent. Un aperçu des matériaux em-ployés et des méthodes de fabrication et d’analyse adoptées est ensuite présenté. Les deux sections suivantes font chacune état d’un volet de la démarche, soit dans un premier temps l’approche utilisant des couches d’alignement faites de nanocomposites magnétiques, et dans un deuxième temps celle utilisant des couches des mésogènes polymérisés. Chacune de ces sections comprend des éléments de théorie et une revue littéraire complémentaires et propres à la stratégie employée, de même que des précisions sur les matériaux et manipulations, les observations réalisés et une analyse mettant en évidence quelques pistes qui pourraient permettre d’approfondir davantage les solutions proposées. Une conclusion générale à l’en-semble du projet est enfin présentée à la dernière section.

Chapitre 2

Les cristaux liquides

2.1

Types et structures

Les mésogènes1 sont des molécules capables de produire des mésophases, c’est-à-dire des phases intermédiaires que forment certains matériaux organiques, possédant à la fois certaines propriétés usuelles des phases solides et des phases liquides [5]. Pour les matériaux mésogéniques purs, ces phases possèdent des températures de transition qui leur sont propres, les séparant des phases solide et liquide isotrope.

2.1.1

Mésogènes

Il existe plusieurs types de cristaux liquides, engendrés par des molécules différentes. On distingue ainsi principalement deux grandes familles, les lyotropes et les thermotropes, selon le paramètre sur lequel il faut agir pour entraîner les transitions de phase. Ces mésogènes peuvent à leur tour être classés en différents types de phases, selon la structure qu’ils adoptent en raison de la forme des éléments de bases et des conditions auxquelles ils sont soumis. Il est à noter qu’un même mésogène peut être à la fois lyotrope et thermotrope, et afficher successivement plusieurs types de phases à mesure que l’on varie les paramètres clés, ces phases état séparées par des transitions caractéristiques.

1. Bien que le nom de « cristaux liquides » soit d’usage courant, il est plus approprié de nommer ces ma-tériaux « mésogènes ». Leur usage étant largement répandu, ces deux termes seront utilisés ici sans distinction pour désigner ce matériau.

2.1Types et structures 6

Thermotropes Les cristaux liquides thermotropes sont les plus fréquemment étudiés et uti-lisés industriellement. La transition de phase de ces matériaux est principalement guidée par la température. Les propriétés mésogéniques des thermotropes leurs viennent de l’anisotro-pie des molécules [6], c’est-à-dire qu’au moins un des axes (anisotrol’anisotro-pie uniaxiale, voir figure 2.1), ou tous les axes indépendants (anisotropie biaxiale, plus rare), des molécules présentent des propriétés différentes, ces différences pouvant provenir tant de la géométrie de la molé-cule que d’autres propriétés comme sa polarisabilité.

Figure 2.1 –Anisotropie de forme, mésogène nématique

On peut classer les thermotropes selon quelques grandes catégories, en fonction de la forme de leurs molécules et du degré d’ordre avec lequel elles s’organisent. La forme la plus courante de mésogène thermotrope est nommée calamitique, et présente une forme allongée ressemblant à un grain de riz. Ces molécules sont assez rigides pour maintenir leur forme allongée et ne pas se replier sur elles-mêmes, et leurs dimensions sont de l’ordre de 20 Å

× 5 Å (p-azoxyanisole [6], voir figure 2.2). Il existe aussi des thermotropes en forme de

disques plats, que l’on nomme discotiques, et certains polymères peuvent aussi présenter des propriétés mésogéniques. Dans ce dernier cas, ce sont les segments rigides des chaînes polymériques qui s’ordonnent entre eux [7].

2.1Types et structures 7

Les différents degrés d’ordre qu’une phase adopte en fonction de la température donnent lieu à différents types de mésophases (voir section 2.1.3). Certains thermotropes possèdent de plus des propriétés chirales, donnant lieu à une gamme de structures particulières Les phases des molécules calamitiques sont traitées à la section suivante. Les discotiques peuvent quant à eux présenter les mêmes types d’arrangements que les molécules calamitiques, en plus de présenter une phase nommée colonnaire, où les molécules tendent à s’empiler les unes par-dessus les autres en colonnes et affichent ainsi un certain ordre de position bi-dimensionnel en plus d’un ordre d’orientation (voir figure 2.4e) [6].

Lyotropes Dans le cas des lyotropes, les transitions de phase reposent principalement sur la concentration relative de différents éléments qui le composent. Les cristaux liquides lyo-tropes sont généralement une solution comportant des molécules amphiphiles (possédant une extrémité hydrophobe et une extrémité hydrophile) dispersées dans un mélange approprié de solvants polaire et non-polaire [6]. Les unités de bases des mésophases lyotropes sont des structures formées de plusieurs molécules, qui s’assemblent avec un ordre d’orientation ou de position variant en fonction des molécules et des concentrations de solvants utilisés [5]. Bien que ce type de molécules soit omniprésent, notamment dans les tissus vivants [7], ses propriétés mésogéniques sont très peu exploitées, et il n’en sera pas davantage question dans cet ouvrage.

2.1.2

Niveaux d’ordre

Le degré d’ordre du matériau est ce qui différencie fondamentalement les cristaux liquides des autres matériaux. Bien qu’ils soient fluides, puisque la position des molécules des méso-phases n’est pas figée comme c’est le cas dans un solide, les interactions entres ces molécules entraînent la présence d’un certain de degré d’ordre qui ne se retrouve pas chez les liquides isotropes. Ce degré d’ordre est variable pour les différents types de mésophases, pouvant al-ler d’une tendance à s’orienter dans une direction commune jusqu’à un arrangement régulier dans l’espace selon une ou plusieurs dimensions [5, 6].

On retrouve parfois chez un même mésogène plusieurs phase différentes qui prennent forme en fonction des conditions imposées au matériau (voir figure 2.3). Ainsi, les phases les plus ordonnées d’un cristal liquide thermotrope apparaîtront à des températures plus basses, près de la température de fusion (_TF), alors que celles présentant un niveau d’ordre plus faible se trouveront à température plus élevée, près de la température isotrope (_{TN I}). Chacune de ces phases possède par ailleurs des températures de transition spécifiques, et ces transitions correspondent à la perte ou au gain d’un ou plusieurs degrés d’ordre [5].

2.1Types et structures 8

Figure 2.3 –Évolution des phases en fonction de la température pour un thermotrope

Il importe de se rappeler que ces arrangements forment une tendance moyenne des mo-lécules, non pas une structure rigide, et que la position et l’orientation de chaque molécule individuelle fluctue constamment dans le temps tout en passant un peu plus de temps dans une orientation ou une position donnée. Ce degré d’ordre, bien qu’assez faible, est tout de même suffisant pour donner lieu à certaines propriétés anisotropes qui sont généralement as-sociées avec les solides cristallins, et c’est de cette combinaison de fluidité et d’anisotropie que provient le grand intérêt technologique des cristaux liquides.

2.1.3

Mésophases

Les phases composées de calamtiques peuvent présenter un degré plus ou moins élevé d’ordre et forment donc différentes structures variant selon la température, chacune possé-dant des caractéristiques bien particulières. On peut voir certaines de ces structures à la fi-gure 2.4. Le type de mésophase utilisé au cours de ce projet, soit la phase nématique, est la plus courante (figure 2.4b). Cette phase est la plus simple, puisque les molécules ne présentent aucun ordre de position mais, contrairement à un liquide isotrope (figure 2.4a), l’orientation des molécules n’est pas distribuée chaotiquement et tend plutôt à adopter une direction com-mune [5]. On désigne couramment cette direction comme étant le directeur,_{n. Il est à noter} que, au niveau macroscopique, il n’est pas utile de distinguer les directions−n et n et qu’elles sont donc considérées équivalentes. Sauf indication contraire, il sera exclusivement question de cette classe de cristaux liquides dans cet ouvrage.

Les phases smectiques ont un niveau d’ordre supérieur, puisqu’en plus d’un ordre d’orien-tation elles présentent un ordre de position selon une dimension. Les molécules d’une phase smectique tendent à se regrouper en strates superposées avec un espace interplanaire bien défini, mais ont généralement une position aléatoire à l’intérieur de ces plans [5]. On dis-tingue principalement deux types différents de smectiques, selon la direction que les molé-cules adoptent à l’intérieur des strates (figures 2.4c et 2.4d). Dans le cas des smectiques A, le

2.1Types et structures 9

(a)Isotrope (b)Nématique (c)Smectique A

(d)Smectique C (e)Colonnaire

Figure 2.4 –Quelques types de phases adoptées par les cristaux liquides

directeur est orienté perpendiculairement au plan des strates, tandis que pour les smectiques C le directeur est orienté selon un angle quelconque par rapport au plan. Outre ces deux types principaux, on retrouve aussi quelques phase possédant une ordre positionnel à l’intérieur des strates.

Il existe enfin des phases dites chirales ou cholestériques, qui sont formées par des mo-lécules calamitques chirales, qui existent sous deux formes distinctes qui sont des réflexions l’une de l’autre. Ces molécules peuvent donner naissance à des phases assimilables à celles des matériaux non chiraux, comme les nématiques ou les smectiques, mais dont le directeur n’a pas une direction uniforme dans tout le matériau, tournant plutôt en fonction de la posi-tion considérée [5]. Les structures résultantes sont donc hélicoïdales, et la longueur du pas de l’hélice est déterminée par le ratio des deux types de molécules, le pas devenant infini lors-qu’ils sont en quantités égales. Cette particularité rend les phases chirales très intéressantes comme matériau optique (voir section 2.3.3). Notons enfin que dans le cas d’un smectique A, la phase chirale est identique à la phase non chirale.

2.2Alignement 10

2.2

Alignement

2.2.1

Élasticité

En raison de l’ordre existant au sein des mésophases, l’application d’une déformation fait apparaître une force élastique tendant à restaurer la structure naturellement adoptée par le matériau en absence de forces externes. Le matériau déformé acquiert une énergie de défor-mation, son énergie libre est donc supérieure à celle du matériau non déformé. Dans le cas des nématiques, ce sont purement des moments de torsion qui s’opposent à la déformation puisqu’il n’existe aucune contrainte sur la position relative des molécules [6].

L’intervalle sur lequel les variations de la structure du matériau sont perceptibles étant beaucoup plus grand que la distance entre les molécules, le milieu mésogénique peut être traité comme étant continu [5, 6]. On peut donc décrire ce milieu selon la théorie du conti-nuum, et l’énergie de déformation d’un nématique est donnée par [6] :

Fdist = 1₂k1(∇ · n)2+ 1₂k2(n · ∇ × n)2+1₂k3(n × ∇ × n)2 (2.1)

où _k1, _k2 et_k3 sont les constantes de Frank, associées aux déformations fondamentales que peut subir le matériau [8]. L’état d’équilibre d’une mésophase est trouvé en minimisant son énergie libre totale, et la configuration adoptée en l’absence de toute autre influence est donc celle qui minimise_Fdist.

Les déformations fondamentales associées aux constantes de Frank sont respectivement l’évasement (splay), la torsion (twist) et la flexion (bend), et peuvent être décrites grâce à la distribution du directeur dans le milieu considéré. On peut voir dans le tableau 2.5 la structure adoptée par la mésophase pour chaque déformation et la condition pour laquelle on la retrouve.

Le directeur_{n est généralement décrit à l’aide d’une angle d’inclinaison θ, relatif au plan} des substrats adjacents au milieu, et un angle azimutal_{φ, donnant l’orientation à l’intérieur} de ce plan (voir figure 2.6). Les constantes de Frank décrivent la résistance du mésogène à la déformation, et sont donc plus élevées lorsque le paramètre d’ordre est plus grand. Des trois types de déformations, la torsion est celle qui demande le moins d’énergie et la flexion celle qui en demande le plus, la valeur de_k3 est donc très élevée tandis que celle de_k2 est faible [6].

2.2Alignement 11

Évasement ∇ · n = 0

Torsion _{n · ∇ × n = 0}

Flexion _{n × ∇ × n = 0}

Figure 2.5 –Déformations fondamentales des cristaux liquides

2.2.2

Alignement induit

Les propriétés anisotropes des mésogènes permettent de déterminer leur orientation à l’aide de diverses méthodes, afin de produire un alignement particulier. Il est donc possible de faire varier les propriétés (notamment optique) d’une mésophase, et ces méthodes sont utilisées afin d’opérer les dispositifs employant des cristaux liquides.

Il existe deux types de forces d’alignement, qui agissent de manière différente sur les mésophases : les forces volumiques et les forces de surface. Les forces de surfaces orientent les molécules situées directement à l’interface entre deux milieux, cet alignement étant par la suite propagé grâce à l’élasticité du matériau afin de diminuer l’énergie libre de distorsion. Les forces volumiques, comme les champs électrique et magnétique, agissent pour leur part dans tout le volume, sur chacune des molécules, tout en étant renforcées par le comporte-ment collectif des mésogènes. Ces forces sont donc évidemcomporte-ment favorisées par un volume important et une faible surface, tandis que les forces de surface sont favorisées lorsque le ratio surface/volume est élevé.

2.2Alignement 12

Figure 2.6 –Angles azimutalφ et d’inclinaison θ du directeur n

Champ électrique Chez les mésogènes calamitiques, la polarisabilité est en général plus grande parallèlement à l’axe long de la molécule que perpendiculairement à celui-ci (la situa-tion contraire peut aussi être rencontrée). La susceptibilité électrique

χe= 

0 − 1 (2.2)

est donc différente selon l’axe du directeur (_χe) et perpendiculairement à cet axe (_χe⊥). Cette différence est donnée par l’anisotropie électrique

Δχe = χe− χe⊥. (2.3)

La densité d’énergie libre associée au champ électrique _{E appliqué sur une méasophase} [7] Fe = − 1 20Δχe  n · E 2 , (2.4)

où_0est la permittivité du vide, est minimale lorsque le champ électrique et l’axe ayant la plus forte susceptibilité électrique sont colinéaires. C’est donc cette orientation qu’adoptera une molécule placée dans un champ électrique en l’absence d’autres contraintes, dans la me-sure où l’énergie de couplage est supérieure à l’énergie thermique. La susceptibilité électrique

2.2Alignement 13

nous indique donc dans quelle mesure un champ électrique peut agir sur une mésophase don-née pour lui imposer un alignement,_{n s’alignant dans la même direction que E si Δχe > 0,} et perpendiculairement siΔχe < 0. Le moment de force exercé sur une molécule calamitique dépend ainsi de son anisotropie électrique et de l’angle entre le champ et le directeur [7] :

 Γe = −0Δχe  n · E   n × E  . (2.5)

On constate enfin que le moment de force est nul dans deux conditions, soit lorsque le di-recteur et le champ électrique sont parallèles et lorsqu’ils sont perpendiculaires, le deuxième cas n’étant cependant pas stable.

Champ magnétique Les effets du champ magnétique sont analogues à ceux du champ électrique à plusieurs niveaux. Les cristaux liquides étant généralement diamagnétiques, l’ap-plication d’un champ magnétique H induit l’apparition d’un faible moment magnétique

op-posé à ce champ. Le moment magnétique est proportionnel à la susceptibilité magnétiqueχm, qui est différente pour les axes parallèle (χm) ou perpendiculaire (χm⊥) àn, et l’axe ayant la plus forte susceptibilité tend à s’aligner sur le champ magnétique.

La susceptibilité des matériaux diamagnétiques étant toujours négative, l’anisotropie ma-gnétique

Δχm = χm− χm⊥. (2.6)

est positive lorsque l’axe principal des mésogènes et le champ magnétique tendent à s’ali-gner parallèlement et négative lorsqu’ils tendent à s’alis’ali-gner perpendiculairement. Pour les nématiques,Δχm est habituellement positif et de l’ordre de10−7à10−6[6], cette faible va-leur permettant d’éviter une perturbation du champ magnétique lors des réorientations d’un cristal liquide.

L’énergie de couplage magnétique [7]

Fm = − 1 2μ0Δχm  n · H 2 , (2.7)

où_μ0est la perméabilité magnétique du vide, est ici aussi minimale lorsque l’axe ayant la plus forte susceptibilité est parallèle au champ. Cette orientation est donc stable, et le moment de force magnétique [7]

2.2Alignement 14  Γm = Δχm  n · H   n × H  . (2.8)

est alors nul.

Surface Les surfaces adjacentes aux mésophases permettent aussi d’imposer une orienta-tion aux molécules se trouvant à proximité. Cette orientaorienta-tion peut être transmise au reste du volume de la mésophase par l’effet de l’élasticité du milieu, l’énergie libre du milieu étant minimisée s’il n’existe aucune déformation dans la mésophase. Plusieurs mécanismes diffé-rents peuvent contribuer à déterminer cette orientation, et leurs fonctionnements ne sont pas encore totalement élucidés.

L’interaction chimique entre la surface et le mésogène est un facteur qui peut influen-cer l’orientation des molécules. Certaines surfaces, de par leur nature chimique, engendrent une orientation horizontale (alignement « planaire », « parallèle », « homogène » ; voir fi-gure 2.7a), verticale (alignement « homéotrope » ; voir fifi-gure 2.7b), ou inclinée des molécules (voir figure 2.7c). Ce phénomène est causé par l’affinité plus ou moins grande entre les molé-cules et le substrat. De plus, lorsque la surface est anisotrope, comme dans le cas d’un cristal ou d’un polymère dont les molécules sont colinéaires, elle offre un (ou parfois plusieurs) axe d’orientation azimutal_{φ privilégié.}

(a)Alignement planaire (b)Alignement vertical (c)Alignement incliné Figure 2.7 –Alignements aux surfaces

Par contre, lorsqu’un mésogène s’oriente parallèlement (ou avec une inclinaison inférieur à 90°) à un substrat isotrope, il peut exister une infinité d’orientations admissible dans le plan de cette surface. Cette indétermination fait en sorte que l’orientation de la mésophase n’est généralement pas uniforme dans tout le milieu. On observe alors plutôt un ensemble de zones à l’intérieur desquelles l’alignement est uniforme, séparées par des discontinuités. Ces caractéristiques, lorsque l’échantillon présente une épaisseur suffisante, peuvent former différents types de textures et défauts, et leur observation en lumière polarisée permet de distinguer les familles auxquelles les mésogènes appartiennent ou d’obtenir des informations sur leurs constantes élastiques [6, 8].

2.2Alignement 15

Lorsque l’orientation des mésogènes est inclinée, l’angle _{θ qu’ils font avec la surface} est généralement appelé inclinaison ou pretilt. Cet angle est d’une grande importance au niveau technologique, puisqu’il facilite la réorientation à l’aide des champs électrique et ma-gnétique. Il permet en effet d’assurer un mouvement collectif uniforme des molécules en pré-déterminant le plan dans lequel les molécules tourneront en réponse au moment de force, de même que le sens de la rotation, ce qui augmente et accélère la réponse aux champs élec-triques appliqués tout en évitant l’apparition de défauts sous la forme de zones présentant des alignements différents.

Outre la nature chimique d’une surface, sa topographie permet aussi d’influencer l’aligne-ment d’une mésophase. Si la forme du substrat est telle que les molécules ne peuvent adopter leur position naturelle (par exemple une orientation parallèle à la surface) en tout point sans subir de déformation, elle adopteront une configuration permettant de minimiser l’énergie libre de déformation, par exemple en privilégiant l’axe offrant une déformation minimale (voir figure 2.8. Il est donc possible grâce au choix de la forme d’une surface de déterminer l’alignement d’une mésophase adjacente.

(a)Énergie maximale (b)Énergie minimale Figure 2.8 –Configuration de mésophases sur une surface courbée

Le contrôle des surfaces délimitant une mésophase permet donc de lui imposer différentes configurations. Quelques-unes de ces configurations sont présentées à la figure 2.9. Plusieurs méthodes peuvent être utilisées afin de créer des surfaces d’alignement possédant les carac-téristiques souhaitées, et ce sujet sera exploré plus en détails à la section 3.2.

Influences mixtes L’utilisation des différentes forces de volume et de surface permet de dé-terminer avec une grande précision la configuration adoptée par une mésophase. En présence d’une certaine combinaison de facteurs, les molécules s’orienteront de manière à minimiser l’énergie libre totale du milieu, soit la somme des composantes élastique (_Fdist), électrique (_Fe) et magnétique (_Fm) :

2.2Alignement 16

(a)Planaire (b)Homéotrope (c)Planaire incliné

(d)Évasement (e)Flexion (f)Torsion

(g)Hybride

Figure 2.9 – Quelques configurations de mésophases obtenues grâce au contrôle des sur-faces

2.2Alignement 17 Ftot = Fdist+ Fe+ Fm = 1₂k1(∇ · n)2+1₂k2(n · ∇ × n)2+ 1₂k3(n × ∇ × n)2 −0Δχe  n · E   n × E  −1₂μ0Δχm  n · H ₂ (2.9)

Dans la plupart des cas d’intérêt, les surfaces adjacentes à une mésophase imposent un ali-gnement dit rigide aux molécules, c’est-à-dire que l’ancrage est assez fort pour que les forces volumiques ne puissent pas modifier l’orientation de celles-ci. On peut donc généralement te-nir compte de l’influence de la surface simplement en imposant des conditions aux frontières pour la distribution du directeur_{n dans l’espace [6]. Par ailleurs, on néglige généralement} les effets de bords, les dimensions latérales (_{x, y) du milieu étant beaucoup plus grandes que} l’épaisseur_{d, qui n’est que de quelques microns, et on considère aussi que l’orientation de n} varie uniquement selon_{z (voir figure 2.10).}

Figure 2.10 –Axes pour une couche mince de cristal liquide

L’orientation près des surfaces étant considéré rigidement fixé, l’application d’un champ électrique ou magnétique ne réoriente pas totalement les molécules d’une mésophase. Il sub-siste plutôt une mince zone de transition près des surfaces où la distribution de_{n varie} rapide-ment pour rejoindre celle du volume (voir figure 2.11). Cette transition s’effectue cependant sur une distance équivalente à quelques dizaines de molécules, appelée longueur de cohé-rencel, trop faible pour que cette distorsion ait un effet au niveau des applications optiques

lorsque le volume est entièrement réorienté. Cette rigidité de l’orientation est cependant in-dispensable à l’opération des appareils électro-optiques : elle permet le rétablissement de la

2.2Alignement 18

configuration d’origine lors du relâchement des forces externes (électrique, magnétique), et donc d’alterner entre deux états distincts.

Figure 2.11 –Les molécules à l’interface ne sont pas réorientées lorsque l’alignement est rigide

Cas particulier : La transition de Fréedericksz Lorsqu’un champ électrique ou magné-tique est appliqué perpendiculairement au directeur d’une mésophase uniformément alignée, le moment de force exercé sur les molécules est nul. Cet état n’est cependant pas stable (si

Δχe,m > 0), et l’application d’un champ suffisamment fort permet de déformer le milieu et entraîne une réorientation du directeur. On peut donc observer qu’en appliquant un champ électrique ou magnétique perpendiculaire au directeur, on n’observe aucune réorientation pour des valeurs inférieures à un certain seuil. Il est à noter que si le champ appliqué et l’ali-gnement d’origine ne sont pas strictement perpendiculaires, ce seuil n’existe pas et est plutôt remplacé par une transition plus ou moins abrupte.

Cette transition, qui fut identifiée par Fréedericksz en 1927 [9], est fondamentale pour l’opération des commutateurs optiques que l’on retrouve dans les afficheurs à cristaux li-quides. La valeur seuil du champ électrique ou magnétique nécessaire à la réorientation d’un échantillon dépend des paramètres de la mésophase, soit l’anisotropie (ΔχeouΔχm), l’épais-seur_{d et la constante élastique k appropriée selon le type de déformation (voir section 2.2.1).} Pour un champ électrique, cette valeur est [6, 7]

Es = π d  k 0Δχe, (2.10)

2.3Propriétés optiques 19 Hs= π d  k Δχm. (2.11)

La constante élastique utilisée est_k1si l’alignement est parallèle aux substrats et le champ perpendiculaire à ceux-ci (figure 2.12a), _k2 si l’alignement et le champ sont parallèles aux substrats mais perpendiculaires entre eux (figure 2.12b), et_k3si l’alignement est homéotrope et le champ est parallèle aux substrats (figure 2.12c) [6]. La transition de Fréedericksz est d’ailleurs utilisée afin de déterminer ces paramètres pour un mésogène donné.

(a) (b) (c)

Figure 2.12 –Transitions de Fréedericksz

2.3

Propriétés optiques

2.3.1

Polarisation

La polarisation d’une onde lumineuse décrit le comportement de sa composante élec-trique dans le temps et l’espace par le biais de la relation entre ses deux composantes ortho-gonales (on néglige généralement la composante magnétique de l’onde, puisqu’elle découle directement de la composante électrique). Une onde lumineuse plane monochromatique se propageant selon l’axe_{z peut ainsi être décrite par son champ électrique selon les axes x et y} en fonction de la position et du temps [10, 11]

Ex= Ex0cos(ωt − kz + δx) (2.12)

Ey = Ey0cos(ωt − kz + δy) (2.13)

2.3Propriétés optiques 20

k = 2π

λ (2.14)

ω = 2πλ

c , (2.15)

λ étant la longueur d’onde, c la vitesse de la lumière dans le vide et δx,y la phase des composantes (figure 2.13).

Figure 2.13 –Composante électrique d’une onde lumineuse se propageant enz

Pour une lumière non polarisée, le champ électrique oscille normalement de façon aléa-toire dans toutes les directions perpendiculaires à l’axe de propagation. Il n’y a alors pas de corrélation entre les deux composantes orthogonales Ex et Ey. Dans le cas d’une lumière polarisée, il existe entreEx etEy une corrélation qui peut être décrite grâce à la différence entre les phases (_δx0,y0) et les amplitudes (Ex0,y0) des deux composantes, et qui permet de connaître l’état de polarisation de l’onde.

Ainsi, si_{δ = 0 ou π, le champ électrique oscille dans une seule direction et la lumière} est alors polarisée linéairement (figure 2.14a). L’axe d’oscillation peut être toute direction appartenant au plan_{x − y et est déterminée par le rapport de Ex0}et_Ey0. Si_{δ = ±}1₂ et que les amplitudes_Ex0et _Ey0 sont égales, la lumière a alors une polarisation dite « circulaire », puisqu’en fixant la position on constate que le champ électrique décrit un cercle en fonction du temps (figure 2.14b). Enfin, pour toute autre valeur de_{δ, Ex0}et_Ey0, la polarisation est el-liptique (figure 2.14c). Dans les deux derniers cas, la polarisation peut être droite ou gauche, selon le sens de la rotation, qui est trouvé grâce au signe de_{δ. Notons enfin que les} polarisa-tions linéaire et circulaire ne sont que des cas particuliers de la polarisation elliptique [10, 11]. Il est possible grâce à des filtres polarisants de sélectionner un certain état de polarisation d’un faisceau lumineux. Lorsqu’un faisceau non polarisé traverse un polariseur linéaire, la

2.3Propriétés optiques 21 t0 t1 t4 t3 t2 t5

(a)Polarisation linéaire

t0 t1

t4

t3 t2

t5

(b)Polarisation circulaire droite

t0 t1

t4

t3 t2

t5

(c)Polarisation elliptique droite

2.3Propriétés optiques 22

composante du champ électrique perpendiculaire à l’axe de transmission est absorbée ou ré-fléchie, la lumière transmise ne conserve donc qu’une seule direction d’oscillation et est alors linéairement polarisée. Si le faisceau traverse successivement deux polariseurs, l’intensité finale dépend de l’angle_{θ entre les axes de transmission de ces polariseurs et est} proportion-nelle àcos2_{θ, l’intensité est donc maximale si les axes sont parallèles et nulle si les axes sont} perpendiculaires (voir figure 2.15).

(a)Parallèles (b)Croisés

Figure 2.15 –Configurations de polariseurs

2.3.2

Biréfringence

Les cristaux liquides nématiques, tout comme les cristaux ou autres matériaux aniso-tropes, possèdent des propriétés optiques particulières du fait que leur indice de réfraction n’est pas le même selon les différents axes du matériaux. Pour une mésophase nématique uniaxiale, l’axe parallèle au directeur_{n possède un indice de réfraction (appelé l’indice} extra-ordinaire,_ne) différent de celui des axes qui lui sont perpendiculaires (appelé indice ordinaire,

no). La différence entres ces indices correspond à la biréfringence d’un matériau :

Δn = ne− no (2.16)

La biréfringence des cristaux liquides est généralement positive, c’est-à-dire que l’indice de réfraction est plus élevé pour l’axe du directeurn (il est donc assumé ici que Δn > 0 sauf

en cas d’indication contraire). Cette biréfringence est cependant maximale seulement dans la mesure où les molécules sont toutes orientées strictement dans la même direction, ce qui n’est le cas que pour un cristal solide (voir section 2.1.2). L’agitation thermique peut diminuer cet

2.3Propriétés optiques 23

ordre et par le fait même la biréfringence, celle-ci est donc maximale à TF et nulle à TN I. La présence de micro-domaines possédant des alignements différents peut aussi créer une isotropie à l’échelle macroscopique ; c’est ce qui se produit lorsque les forces d’alignement appliquées sur l’échantillon sont négligeables (par exemple dans une bouteille volumineuse). La biréfringence permet donc d’évaluer dans quelle mesure un échantillon de cristal liquide possède un alignement uniforme ou une distribution chaotique.

Lorsque_{n est parallèle à l’axe de propagation z, les composantes du champ électrique}

Ex0etEy0perçoivent un indice unique (no), tout comme dans un milieu isotrope. Cependant si l’axe de propagation est différent les composantes orthogonales du champ électrique per-çoivent des indices différents, et leurs phases progressent à une vitesse_{v différente puisque} la vitesse dépend de l’indice de réfraction :

v = c

n. (2.17)

En traversant un tel milieu, les composantes _Ex0 et _Ey0 accumulent l’une par rapport à l’autre un déphasage qui dépend de la direction de propagation et de la distanced parcourue

dans ce milieu. Pour un faisceau se propageant selon un axe perpendiculaire à_{n, le retard de} phaseΓ accumulé est de [12]

Γ = 2π

λ (ne− no) d. (2.18)

Ce changement du déphasage entre les composantes modifie l’état de polarisation origi-nel du faisceau. Par exemple, un faisceau polarisé linéairement (_{δ = 0 ou π) peut devenir} elliptique en traversant un milieu biréfringent. Un faisceau traversant un système composé de deux polariseurs croisés entre lesquels est placé un milieu biréfringent pourra donc être totalement ou partiellement bloqué selon l’orientation que l’on donne à l’axe principal de ce milieu. Pour un échantillon nématique planaire uniformément aligné, l’intensité transmise correspond à [13] I = I₂0 sin2(2φ) sin2  π (ne− no) d λ  , (2.19)

où_{φ correspond à l’angle azimutal entre n et l’axe de transmission d’un polariseur. On} voit que l’intensité est maximale lorsque_{n est placé à 45° de l’axe des polariseurs et} mini-male lorsque qu’il est parallèle à l’axe de l’un ou l’autre de des polariseurs. Si l’échantillon

2.3Propriétés optiques 24

considéré présente un pretilt, on peut trouver l’intensité transmise remplaçantnepar l’indice effectif_{nef f} [13] nef f = neno  n2esin2θ + n2ocos2θ , (2.20)

qui correspond à la combinaison denoetneperçu par l’une des composantes de E.

2.3.3

Activité optique

Certains milieux dits « optiquement actifs » ont par ailleurs la capacité faire tourner la polarisation d’une lumière linéairement polarisée. On retrouve cet effet chez les mésophases ayant une structure en hélice dont le pas est beaucoup plus grand que la longueur d’onde [13], par exemple pour les cholestériques ou les nématiques bornés par deux substrats dont les axes d’alignements ne sont pas parallèles. Dans un tel cas la rotation de la polarisation est équiva-lente à celle du directeur entre les deux surfaces, si bien qu’un faisceau polarisé parallèlement à l’alignement de la première face ressort avec une polarisation parallèle à l’axe d’alignement de la dernière face (voir figure 2.16).

2.4Afficheurs à cristaux liquides 25

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’épaisseur_{d 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 directeur_{n 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 de_{n, 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’orienter_{n 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.