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Bibliographie scientifique
LES ÉCRANS LCD
Bibliographie scientifique
SOMMAIRE
LISTE DES FIGURES
ETAPES DE TRAVAIL
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1a)
b)
c)
d)
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INTRODUCTION
Historique
Domaines d’application
Schéma de principe
Descriptif
2- EXPLICATIONS
a) L’état et la structure cristal liquide
a.1) Introduction
a.2) L’organisation structurelle dans un cristal
a.3) Preuve de l’orientation partielle
a.4) Les molécules pouvant posséder une phase cristal liquide
b) Lumière et polarisation
b.1) La lumière
b.2) La polarisation
b.3) Les différentes techniques de polarisation
b.4) La polarisation appliquée aux LCD
c) Application d’un champ électrique sur les cristaux liquides
c.1) Composition "polaire" des cristaux liquides
c.2) Caractéristique importante en comparaison
avec les liquides et solides
c.3) Création d'une polarisation électrique
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3a)
b)
c)
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CAS PARTICULIER DES TWISTED NEMATIC
Structure particulière du Twisted Nematic
Rotation et ancrage des molécules
Activités optique avec ou sans champ électromagnétique
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4- POURQUOI LES MATERIAUX OPTIQUEMENT ACTIFS ONT-ILS UN POUVOIR
ROTATOIRE SUR LE PLAN DE POLARISATION DE LA LUMIERE EN L’ABSENCE
DE CHAMPS ELECTROMAGNETIQUE?
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a) Biréfringence rotatoire
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b) Description de Fresnel
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c) Les lois de SNELL-DESCARTES
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d) Vitesse de la lumière en fonction de l’indice de réfraction
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e) Notion de déphasage
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f) La formule de Fresnel
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g) La loi de BIOT
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CONCLUSION
GLOSSAIRE
SOURCES
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Les mots accompagnés du caractère * sont définies dans le Glossaire
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LISTE DES FIGURES
Figure 1 : Schéma de principe (source : www.hardware.fr )
Figure 2 : Descriptif (source : cristauxliquides.free.fr)
Figure 3 : Filtre polarisant (source : www.comm.uqam.ca/)
Figure 4 : Différents états de la matière
(source : Cours.phy.ulaval.ca/cours/22646/07-birefringence_GPH-22646.doc)
Figure 5 : Graphique du passage d’une molécule d’un état solide à une phase liquide
(source : http://wwwarpe.snv.jussieu.fr/pages/gluvir_1.php)
Figure 6 : Molécule « type » de cristal liquide
(source : techniques de l’ingénieur / A 1325 / CRISTAUX LIQUIDES)
Figure 7: Structure de la phase nématique
(source : www.micromodule.fr/telechargement/1163612003.pdf)
Figure 8 : Onde électromagnétique (source : Wikipédia)
Figure 9 : Onde lumineuse naturelle
Figure 10 : Représentation d’une onde polarisée
Figure 11 : Schéma représentatif du plan de polarisation
(source Figure 8, 9 et 10:
Perso.orange.fr/patrick.kohl/spectro_oem/spectro_oem_7.htm)
Figure 12 : Principe de biréfringence (source :
Figure 13 : Polariseurs en configuration (a) parallèle et (b) croisée
Figure 14 : Représentation de l’angle d’incidence du champ E dans l’analyseur
(source : astro.ensc-rennes.fr)
Figure 15 : Orientation d’un dipôle en fonction d’un champ électrique imposé
(source : http://perso.orange.fr/cristaux.leroux-girard)
Figure 16 : Création d’un dipôle électrique
(source : http://perso.orange.fr/cristaux.leroux-girard)
Figure 17 : Structure moléculaire du TN
(source : http://perso.orange.fr/cristaux.leroux-girard)
Figure 18 : Ancrage des molécules sur les plaques polarisantes
(source : www.micromodule.fr/telechargement/1163612003.pdf)
Figure 19 : Influence d’un champ électrique sur l’orientation des cristaux liquides et de
la lumière.
(source : http://perso.orange.fr/cristaux.leroux-girard)
Figure 20 : Courbe d’électro-distorsion
( source : http://perso.orange.fr/cristaux.leroux-girard)
Figure 21 : Transmission de la lumière en fonction de la tension appliquée
(source : http://perso.orange.fr/cristaux.leroux-girard )
Figure 22: Représentation de l’onde polarisée et mise en évidence des deux composantes
(source : http://www.sciences.univnantes.fr/physique/perso/charrier/tp/polaro/prologue.html)
Figure 23 : représentation des angles î et r.
(source :http://sc.physiques.free.fr/htmlfiles/cours/dejenef/intro_reflex.html)
Figure 24 : Représentation du déphasage de deux ondes φ pour une longueur d’onde
identique
(source : http://fr.wikipedia.org/wiki/D%C3%A9phasage)
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ETAPES DE TRAVAIL
La réalisation de notre projet a nécessité de passer par plusieurs étapes dans le but
d’élargir nos pistes de recherche. Ces étapes nous ont permis de fixer les objectifs
d’avancement et d’établir des délais pour nos recherches. La division des tâches entre les
membres du groupe a permis de donner à chacun des étapes de travail et des pistes à suivre.

La première étape de travail était concentrée sur des recherches globales sur les
écrans LCD. Cette étape a durée quatre semaines, à l’issue de celle-ci, nous avons mis
en commun nos différentes informations. Nous avons pu à l’aide de ces informations
remplir la grille de décision présente dans le carnet de bord. De cette grille nous avons
commencé à nous poser des questions plus précises sur les composants et sur le
fonctionnement des LCD. En classant ces questions, nous avons isolé les différents
domaines physiques (électronique, optique et chimie) que nous devions étudier pour
comprendre le fonctionnement des écrans LCD.

La deuxième étape de travail consistait à explorer plus en détail ces domaines pour
avancer dans notre démarche d’explication des phénomènes physique. Ces recherches
nous amener sur des problématiques tels que « Pourquoi la lumière d’entrée utilisée estelle blanche ? », « Comment réagi le flux électromagnétique lumineux sous l’effet des
filtres polarisés puis de l’ensemble bâtonnet (qui comporte les cristaux liquides) ? ».

La troisième étape de travail consistait à répondre à ces questions et à confirmer
nos premières affirmations, en effet nous avons découvert par la suite en répondant aux
premières questions que certaines affirmations n’étaient pas bonnes, comme par
exemple le fait que la lumière utilisée en entrée n’est pas monochromatique. Le fait de
répondre aux questions précédentes et de remettre en question nos affirmations
précédentes nous a permis d’avancer sur la bonne voie. A la fin de cette troisième étape,
nous avons pu extraire le sujet principal de notre bibliographie scientifique :
« POURQUOI LES MATERIAUX OPTIQUEMENT ACTIFS ONT-ILS UN
POUVOIR ROTATOIRE SUR LE PLAN DE POLARISATION DE LA
LUMIERE EN L’ABSENCE DE CHAMPS ELECTROMAGNETIQUE ? ».
 Notre démarche de recherche d’information c’est alors concentrée sur la compréhension
des phénomènes optique, électronique et chimique qui transforment la lumière d’entrée
en une image. Nos recherches sur les cristaux liquides nous ont amenés sur le fait qu’il
existe plusieurs types de cristaux liquides, nous avons retenu les Twisted Nematic car ce
sont ceux qui sont le plus utilisés dans la technologie des LCD. Nous nous sommes
confrontés à un problème qui été d’expliquer la rotation du plan de polarisation. La
compréhension de l’action des cristaux liquide Twisted Nematic sur le plan de
polarisation, donc du champ électromagnétique nécessite la connaissance approfondie
des équations de propagation de la lumière dans un matériau, c’est-à-dire les équations
de Maxwell. Pour tenter d’expliquer ces équations, nous sommes entrés en contact avec
notre professeur de mathématique M.Binard. Il aurait bien voulu nous éclairer sur la
question mais il nous a expliqué que ne possédons pas actuellement le niveau de
connaissance nécessaire. En effet, les équations de Maxwell sont au programme de la
deuxième année. Nous nous sommes donc limités à l’explication de la rotation de
l’angle du plan de polarisation dans les cristaux liquide Twisted Nematic en l’absence de
champ électromagnétique.
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1- INTRODUCTION
Dans le cadre de notre formation d’ingénieur par alternance au CEFIPA, nous avons à
réaliser un projet nommé bibliographie scientifique. Ce projet consiste à étudier un
phénomène présent dans le monde d’aujourd’hui.
Le sujet choisi pour cette bibliographie scientifique est le fonctionnement des écrans LCD
(écran à cristaux liquides). De cela découle une question : « POURQUOI LES
MATERIAUX OPTIQUEMENT ACTIFS ONT-ILS UN POUVOIR ROTATOIRE SUR
LE PLAN DE POLARISATION DE LA LUMIERE EN L’ABSENCE DE
CHAMPS ELECTROMAGNETIQUE ? » C’est sur cette question qu’est centrée notre
bibliographie scientifique.
En effet, nous ne détaillerons pas le fonctionnement global des écrans LCD mais nous
étudierons plus particulièrement le changement de la polarisation dans le cristal liquide
Twisted Nematic, cristal liquide le plus souvent utilisé dans la technologie des écrans LCD.
Pour mieux comprendre ce phénomène et introduire ce sujet, voici d’abord l’historique
du LCD et ses domaines d’application.
a) Historique :
L’invention du terme « cristal liquide » date de 1889, il faudra attendre 1968 pour que
des chercheurs s’intéressent au phénomène et inventent le premier afficheur à cristaux
liquides. En 1969, James Fergason découvre l’effet TN : Twisted Nematic, basé sur le
principe de rotation du plan de polarisation. Ce fut une découverte fondamentale, dans la
mesure où tous les écrans LCD (de l’anglais Liquid Crytals Displays) que nous connaissons,
sont basés sur ce principe. Et en 1986, NEC produit le premier ordinateur portable doté d’un
afficheur à cristaux liquide. En 1995, on commence à produire des dalles LCD de grandes
diagonales, supérieures à 28 pouces (environ 71 cm).
Aujourd’hui, les écrans LCD sont les successeurs des tubes cathodiques (CRT de
l’anglais cathode ray tube).
b) Domaines d’application :
La technologie LCD est présente dans toutes les nouvelles technologies d’aujourd’hui
comme les écrans d’ordinateurs, de calculatrice, d’imprimante, de téléphone mobile…
La présence d’écrans LCD est particulièrement élevée dans le secteur de l’architecture
et de la conception notamment. Viennent ensuite les secteurs des organisateurs de réunions et
de conférences, du transport et de la logistique, ainsi que de la vente au détail. Les écrans
LCD sont aussi présents dans une multitude de domaines industriels tels que l’automobile,
l’aviation …
La technologie LCD fait l’objet d’une demande toujours plus importante. Cette
technologie, en raison d’avantages tels que des pannes limitées, une manipulation facile, une
longue durée de vie, ainsi que d’une présentation plus satisfaisante de l’affichage, constitue
une réelle alternative aux autres technologies tel que le Plasma.
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c) Schéma de principe :
Introduction au schéma de principe :
Si l’on se place dans une vision très simpliste de la construction d’un LCD, on peut
voir cette dernière comme l’assemblage d’un bloc avec une dalle LCD.
Bloc
+
Dalle
=
Ecran LCD
La dalle se présente sous la forme d’un rectangle de 1 à 2 centimètres d’épaisseur,
avec d’un côté la surface d’affichage de l’écran, de l’autre une carte électronique.
Entre les deux, on trouve de 2 à 12 néons, des cristaux liquides par lesquels transite la lumière
et des filtres de couleur.
Le schéma de principe est le suivant :
Les néons émettent de la lumière blanche. Cette lumière arrive et traverse les plaques
de cristaux liquides. Ces cellules de cristaux liquides, trois par pixel, sont pilotées par un
transistor, lui-même commandé par la carte électronique au dos de l’écran. A chaque tension
émise par le transistor correspond à une position des cristaux. Cette position détermine si la
lumière traverse ou ne traverse pas le deuxième filtre polarisant.
12
12. Plaques de cristaux liquides
Lumière blanche
Figure 1 : Schéma de principe
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d) Descriptif :
Ce descriptif à pour but d’expliquer globalement sans détailler en profondeur le
fonctionnement général de la transformation de la lumière blanche émise en une image. Cela
permet de mieux comprendre les parties suivantes du rapport.
Les explications apportées dans cette partie utilisent les figures 1 et 2 comme support
visuel.
Figure 2 : Descriptif
La lumière blanche émise par les néons passe d’abord le premier filtre polarisant (2).
Son onde lumineuse est donc polarisée comme suit :
Entrée
Sortie
Figure 3 : Filtre polarisant
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Une fois polarisée, la composante lumineuse encore présente traverse les plaques de
commande qui comporte des transistors (9), des lignes de commandes (5 et 6), des électrodes
(10 et 11). Elle arrive ensuite au niveau des plaques de polymères (7) qui contiennent les
cristaux liquides (12 et 8).
En fonction de la tension aux bornes des transistors, les cristaux liquides se déplacent
suivant un axe de rotation avec un angle variable.
Dans la dernière étape, la lumière passe le filtre couleur (Rouge, Vert et Bleu) et le
deuxième filtre polarisant (analyseur). Selon son orientation, la lumière traverse ou non
l’analyseur.
Si les cristaux liquides se placent à la verticale (à Vmax), la lumière des néons est bloquée,
c’est un point (qui correspond à un pixel) noir à l’écran.
S’ils sont horizontaux (V=0), toute la lumière passe, le point sera blanc.
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2- EXPLICATIONS
a) L’état et la structure cristal liquide
a.1) Introduction
La physique classique divise la matière en trois catégories : solide, liquide et gazeux.
Il se trouve que cette définition n’est pas complète.
En effet, différentes substances organiques ne disposent pas d’un seul et unique
changement d’état entre l’état solide et l’état liquide. Elles possèdent en réalité une série de
plusieurs transitions intermédiaires entre le cristal et le liquide. C’est l’ensemble de ces états
qui a été baptisé de cristaux liquides par Lehmann. Ils sont aussi appelés mésomorphes ou
mésophases.
Un cristal, par définition solide, est caractérisé par un empilement régulier de
molécules, ions ou atomes sur un réseau périodique dans les trois dimensions de l’espace. La
structure, ou motif de base, appelé aussi maille, suffit à déterminer la position de toutes les
molécules, ions ou atomes dans l’espace.
Contrairement, un liquide ne possède, quant à lui, pas de structures de bases, les
molécules, ions ou atomes sont libres et circulent librement dans la matière.
L’état cristal liquide est un état intermédiaire dans lequel les molécules tendent toutes
vers la même orientation, mais pour lesquels le désordre de l’état liquide subsiste dans au
moins une direction spatiale. Ces propriétés s’apparent à celles de l’anisotropie*.
Etat solide
Etat cristal liquide
Etat liquide
Figure 4 : Différents états de la matière.
Cette anisotropie est généralement plus élevée que dans les cristaux, ce qui engendre
une biréfringence* optique chez les cristaux liquides. La biréfringence est une propriété
qu’ont certains matériaux transparents vis-à-vis de la lumière. Leur effet principal est de
diviser en deux un rayon lumineux qui les pénètre.
L’existence de l’ordre liquide des cristaux liquides permet par ailleurs une meilleure
mobilité. Cette propriété est essentielle pour l’application aux affichages comme pour les
écrans LCD.
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a.2) L’organisation structurelle dans un cristal
Dans un solide, les molécules sont ordonnées de façon à occuper seulement certaines
positions : c’est ce que l’on appelle l’ordre positionnel. Cette organisation spécifique contraint
les molécules de s’orienter les unes en fonction des autres : c’est l’ordre orientationnel.
Lorsqu’un solide passe à l’état liquide par l’influence de la température, les deux
ordres disparaissent. Les molécules bougent et perdent leurs différentes positions.
Lorsque le solide fond et arrive à l’état cristal liquide, l’ordre positionnel est perdu
mais l’ordre orientationel tend à rester. Les molécules ont alors la liberté de bouger presque
comme dans un liquide. Cependant, elles tendent à préserver un certain ordre orientationel,
ordre qui n’est pas aussi parfait que dans un solide. En fait, les molécules d’un cristal liquide
prennent plus de temps à pointer cette direction d’orientation plutôt qu’une autre direction.
Les plages de transformations varient selon les molécules de cristal liquide. Ainsi, si
l’on prend deux molécules de cristaux liquides comme le p-n-octyloxy-p’-cyanobiphényle et
le hexa-4-octyloxybenzoate de triphénylène, on se rend compte que la phase cristal liquide du
premier se situe de 54,5°C à 80°C, alors que celle du deuxième se situe de 152°C à 244 °C.
a.3) Preuve de l’orientation partielle
Le graphique ci-dessous est la représentation instantanée du passage des molécules
d’un cristal solide à sa phase liquide, en montrant l’évolution de la chaleur latente de la
transformation, c'est-à-dire la « quantité de chaleur dégagée ou absorbée lorsque le matériau
fond ou gèle» (extrait de Wikipédia), en fonction de la température.
Les chaleurs latentes des cristaux nous montrent que, dans le cas du cholesteryl
myristate, qui est un type de cristal liquide, la chaleur latente nécessaire pour passer de la
phase solide à la phase cristal liquide est de 65 calories/grammes et seulement de
7 calories/grammes pour de la phase cristal liquide à la phase liquide.
Refroidissement
Chauffage
Solide
Cristal liquide
Liquide
Figure 5 : Graphique du passage d’une molécule d’un état solide à une phase liquide.
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Cette expérience fait ressortir un point important, les cristaux liquides sont beaucoup
plus proches d’un état liquide que d’un état solide. En fait, lorsqu’un solide passe à l’état
cristal liquide, il perd la majorité de son ordre hormis au moins une direction d’orientation qui
le différencie de l’état liquide.
a.4) Les molécules pouvant posséder une phase cristal liquide
Toutes les molécules ne présentent pas une phase de cristal liquide. Parmi les
substances organiques recensées, seules 0,5% environ montrent les caractéristiques du cristal.
Voici les caractéristiques des molécules nécessaire pour quelles passent par l’état cristal
liquide à une température donnée :
- La molécule doit être de forme allongée. Elle doit être plus longue que large, et ceci
de façon significative.
Cette propriété d’élongation permet de disposer des fortes forces d’attraction lorsque
les molécules s’alignent parallèlement.
- La molécule doit être rigide en son centre
Cette propriété permet de stabiliser les phases alignées, et donc d’assurer le maintien
de la structure de la molécule.
- Il est favorable que la molécule soit flexible en ses extrémités
La souplesse des extrémités des molécules, permet quant à elle, de donner plus de
liberté à la molécule. Cette propriété est indispensable pour que les molécules puissent se
positionner plus facilement les unes par rapport aux autres, alors que celles-ci se déplacent
pour s’aligner.
Figure 6 : Molécule « type » de cristal liquide.
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La phase nématique se définie par rapport aux autres phases possibles d’un cristal
liquide, par le fait que ses molécules soient dirigées par un seul ordre orientationnel et quelles
aient une forte mobilité les unes par rapport aux autres.
Cette phase nématique est fluide, mais les molécules s’alignent parallèlement, même si
elles se déplacent aléatoirement. On a donc un ordre orientationnel, mais pas d’ordre
positionnel. Le matériau est biréfringent*.
Figure 7: Structure de la phase nématique (ň: ordre orientationnel).
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b) Lumière et polarisation
b.1) La lumière :
La lumière est un champ électromagnétique. C'est-à-dire une onde composée d’un
champ E et d’une composante B appelée champs magnétique. Ces deux champs sont
perpendiculaires à la direction de propagation de la lumière.
Figure 8 : Onde électromagnétique.
Le fait qu’elle soit lumineuse c’est grâce à la valeur particulière de sa longueur d’onde
(distance qui sépare deux creux ou deux maxima). Dans des gammes de fréquences plus
petites on trouve les micro-ondes, ou les ondes radio, et pour les plus grande des rayons X.
La lumière naturelle nous provenant du soleil n’est pas
polarisée c'est-à-dire que les champs E et B n’ont pas de
direction particulière, ils sont dirigés toujours
perpendiculairement à la propagation mais sans direction
particulière.
Figure 9 : Onde lumineuse naturelle.
b.2) La polarisation :
Ce qui fait la particularité d’une lumière polarisée c’est que le déplacement du champ
électrique est compris dans un plan de polarisation.
Le champ E est compris dans
un plan et le champ B dans un
autre plan perpendiculaire au
premier. L’œil n’étant sensible
qu’à la composante électrique
nous ne ferons plus attention à
la composante magnétique.
Figure 10 : Représentation d’une onde polarisée.
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Figure 11 : Schéma représentatif du plan de polarisation.
b.3) Les différentes techniques de polarisation :
La réflexion vitreuse :
La réflexion d’une onde électromagnétique favorise une direction du champ E sortant
en fonction de l’angle d’incidence. L’intensité sortante est trop faible pour que l’on puisse
utiliser ce principe.
La biréfringence* :
Certains cristaux (comme le spath d’Islande) ont le pouvoir optique de dédoubler un
rayon incident. Les deux rayons sont alors polarisés à angle droit. Un cristal liquide est
biréfringent.
Figure 12 : Principe de biréfringence.
Les polaroïds ou polariseur:
Inventés en 1932 les feuilles polaroïds sont constituées de deux plaques de verres qui
emprisonnent des longues chaînes de polymère et de colorants étirées majoritairement dans
une direction.
C’est pour cela que l’absorption de la feuille dépend très fortement de la direction de
polarisation. Une partie du champ électrique est bloquée la composante transmise est dans un
Bibliographie scientifique
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plan de polarisation. Le polariseur absorbe une partie des composantes
électromagnétique, l’intensité sera alors diminuée.
b.4) La polarisation appliquée aux LCD
Dans un dispositif LCD, on a vu que les cristaux étaient emprisonnés entre deux
polariseurs. On appel le premier polariseur et le second analyseur. La direction du polariseur
permet de tracer avec la direction de propagation de la lumière, le plan de polarisation. Ceuxci interfèrent sur l’intensité lumineuse et sur la valeur du champ électrique.
Figure 13 : Polariseurs en configuration (a) parallèle et (b) croisée.
Dans le montage LCD Twisted Nematic les polariseurs sont en position croisée. On
voit qu’en position parallèle toute la lumière polarisée passe, et en position croisée l’analyseur
bloque tout passage de la lumière. Mais il n’y a pas que deux états.
Figure 14 : Représentation de l’angle d’incidence du champ E dans l’analyseur.
Dans le cas où les polariseurs sont croisés et qu’il y a modification de l’angle de polarisation
avant l’analyseur, on appel  l’angle entre le champ E et la direction de l’analyseur.
L’intensité sortante de l’analyseur est fixée par la loi de Malus, en fonction de l’intensité en
entrée du polariseur et de l’angle .
I = I0 cos2 
En résumé, on a
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-
- Un éclairement maximum I lorsque  = 0
Un éclairement nul lorsque  = 90°
Dans un cas général, un éclairement proportionnel à I0 cos2 
c) Application d’un champ électrique sur les cristaux liquides.
c.1) Composition "polaire" des cristaux liquides.
Les cristaux liquides sont composés principalement d'éléments neutres (non chargés).
Mais parfois les liaisons entre les molécules partagent celles-ci en deux parties: l'une chargée
positivement, l'autre, négativement. Ceci s'appelle le dipôle électrique permanent.
Or sans champ électrique les molécules de cristal liquide ne sont pas alignées même si
un ordre existe. Dans un champ électrique la situation est très différente. Les schémas cicontre permettent de se rendre compte du phénomène mis en jeu. Prenons le cas où les
charges sont réparties aux extrémités de la molécule.
Le champ E crée une répartition dipolaire et la molécule est soumise à un couple de forces.
Elle va donc s’orienter selon les lignes de champ E, et restera à l’équilibre stable. Les
schémas nous montrent que la rotation peut être positive ou négative selon la disposition des
charges dans la molécule. Ainsi, les molécules tendent à s’orienter parallèlement (anisotropie
diélectrique positive) ou perpendiculairement (anisotropie négative) au champ électrique.
Par contre, de nombreux cristaux liquides ne possèdent aucune séparation de charge
« naturelle ». Ceux-ci répondent alors d’une dernière façon au champ électrique : celui-ci en
effet, crée lui-même cette répartition sur la molécule (voir exemple) entre nucléon et électron.
De tels dipôles sont alors appelés dipôles électriquement induits. En général, les
molécules de cristaux liquides peuvent donc posséder des dipôles permanents ou induits situés
le long de ou à travers l’axe principal formé de ces molécules, et cet axe va alors s’orienter
selon le champ électrique imposé.
Figure 15 : Orientation d’un dipôle en fonction d’un champ électrique imposé.
Bibliographie scientifique
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c.2) Caractéristique importante en comparaison avec les liquides et solides.
Dans un liquide, la désorganisation totale des molécules ne laisse aucune chance de
pouvoir orienter les molécules selon un axe. Dans un solide, c'est au contraire les fortes
liaisons entre les molécules qui empêchent une quelconque orientation. Ainsi, on peut dire que
les cristaux liquides gardent une mobilité de leurs molécules (comme les liquides) tout en
pouvant produire un ordre ou une orientation en réponse à un champ (s'approchant de la
composition des solides). C’est sur cette caractéristique majeure que se base le principe de
fonctionnement des systèmes d’affichage à cristaux liquides.
c.3) Création d'une polarisation électrique.
En fait, lorsque l'on applique un champ électrique le long de l'axe principal des
molécules de cristal liquide, l'ensemble des "petits" dipôles électriques de chaque molécules
créera un "large" dipôle électrique formé par l'échantillon de cristal. Supposons un échantillon
de molécules, l'attraction des charges + et – sera alors :
Figure 16 : Création d’un dipôle électrique.
On voit alors la création d’un dipôle, et comme la force du dipôle dépend alors de
l’échantillon, on définit le dipôle électrique par unité de volume. (Phénomène appelé
polarisation électrique).
Mais lorsque l’on applique un champ électrique perpendiculaire à l’axe principal des
molécules on crée alors une polarisation électrique différente de celle qui suit l’axe principal.
(Autre caractérisation d’anisotropie).
L'expérience montre que plus le champ électrique appliqué est fort, plus la polarisation
l'est aussi (Le rapport est constant). Ce rapport est appelé la susceptibilité électrique et
représente la facilité pour un matériel à être polarisé. (Cette susceptibilité n'est pas la même
lorsque le champ est perpendiculaire à l'axe principal).
Bibliographie scientifique
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3- CAS PARTICULIER DES TWISTED NEMATIC
a) Structure particulière du Twisted Nematic
Les cristaux liquides dans les dispositifs d’affichage LCD, sont en phase nématic.
Cependant une caractéristique indispensable, particulière aux Twisted Nematic est le fait que
la molécule chimique choisie doit être chirale*. C’est à dire qu’elle peut se représenter de
deux manières symétriques par rapport à un axe, mais elle n’aura pas la même représentation
de Cram (en 3D).
La propriété de cette chiralité qui nous intéresse est le fait que les molécules chirales
influent sur un rayonnement électromagnétique, elle permet de faire tourner le plan de
polarisation d'une lumière polarisée qui la traverse.
En général dans un cristal liquide le champ directeur de l’orientation des molécules
tend à être uniforme, l’élasticité d’orientation empêchant toute distorsion. Cependant dans le
cas précis des TN, les molécules sont chirales, donc asymétrique. Cette propriété a pour
conséquence de forcer le vecteur directeur à tourner. L’orientation des molécules dans le sens
de l’empilement décrit une hélice, et l’orientation du champ dépend de l’énantiomètrie des
molécules.
Le cristal est organisé par plaques de molécules. Cette
organisation est à l’origine d’une forte corrélation entre
molécules voisines associée à une importante viscosité
rotationnelle des molécules.
La
distance
entre
ces
plans
est
P/2
(P est le pas d’hélice ou période). Le pas de l’hélice varie selon
les produits, et selon la température, généralement entre 0.1 et
1µm.
On représente ces molécules par des bâtonnets qui indiquent
leur orientation dans l’espace. L’orientation des molécules est
identique dans chaque plan.
Figure 17 : Structure moléculaire du TN.
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b) Rotation et Ancrage des molécules
Pour pouvoir obtenir une hélice qui décrit une rotation de 90°, on a recours à l’ancrage
des molécules sur chacune des parois. L’ancrage consiste à fixer une couche de molécules sur
la paroi du polariseur toutes orientées dans la direction du polariseur. Les deux polariseurs
étant en position croisée, l’hélice formée par les différentes plaques de cristaux liquides aura
un angle total de 90°. En l’absence de champ magnétique, la direction des cristaux sert de
« guide » pour la lumière.
Figure 18 : Ancrage des molécules sur les plaques polarisantes.
c) Activité optique avec et sans champ électromagnétique
On sait que les cristaux liquides tendent à s'arranger suivant la direction du champ
électrique qu'on lui applique. On place deux électrodes en haut et en bas de la couche de
cristal, c'est-à-dire sur les deux plaques, que l'on relie à un générateur.
Quand on applique une tension aux électrodes, un champ électrique se forme dont la
direction est perpendiculaire aux deux plaques (direction verticale). Les molécules de cristal
liquide s'arrangent donc suivant cette direction ce qui neutralise l'hélicoïde observée au repos.
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Figure 19 : Influence d’un champ électrique sur l’orientation des cristaux liquides et
de la lumière.
La lumière passe le long des molécules sans subir de rotation. Le plan de polarisation
reste donc le même et le vecteur E garde la même direction que le polariseur d’entrée. Quand
la lumière arrive au niveau du polariseur de sortie, celle-ci est bloquée car la direction du
polariseur est perpendiculaire à la direction du vecteur E. Il s’agit de la configuration
bloquée.
Dépendant de l'intensité du champ électrique, les systèmes à cristaux liquides peuvent
laisser passer toutes les nuances entre le noir (extinction) et la couleur de la lumière envoyée.
Il suffit juste de faire varier l'intensité du champ électrique, donc la tension appliquée aux
électrodes.
Il faut savoir comment réagissent les molécules de cristal aux différentes valeurs
appliquées aux électrodes. Pour cela, on regarde la courbe d'électro-distorsion :
Figure 20 : Courbe d’électro-distorsion.
Le tilt des molécules est l'angle que fait le directeur des molécules avec les plans des
couches de verre.
Pour les cristaux liquides, cette courbe détermine directement la transmission de
lumière à travers la cellule en fonction de la tension appliquée. On obtient alors le diagramme
suivant :
Von Voff
Bibliographie scientifique
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Figure 21 : Transmission de la lumière en fonction de la tension
appliquée.
Les deux lignes verticales (Von et Voff) permettent de se rendre compte de la tension
utilisée en pratique pour passer de l’extinction au passage maximal (50 % de la lumière). Il est
indispensable de choisir un écart faible afin de diminuer « l’effet de traîné », c'est-à-dire le
temps de « commutation » des molécules. Plus la différence entre Von et Voff sera grande,
plus le temps de passage de la configuration bloquée à celle passante sera élevé et plus il y
aura de nuances de gris. Il faut donc trouver un compromis pour cet écart entre Von et Voff
afin d’obtenir un « effet de traîné » minime et une nuance de niveau de gris acceptable. C’est
pour cela qu’on a crée d’autre type de LCD.
L’arrangement moléculaire du cristal nématique utilisé dans les dispositifs d’affichage
à cristaux liquides est en spirale. Cet arrangement est obtenu grâce à une méthode d’ancrage
obtenu par deux feuilles de polymère dont les directions font un angle de 90 °. L’effet du
champ électrique sur ce type d’arrangement moléculaire a pour effet de « casser » la spirale
puisque le champ impose une direction à toutes les molécules. L’arrangement moléculaire
perdra ainsi ses propriétés optiques (pouvoir rotatoire).
On a donc vu qu'un champ électrique fort appliqué à un échantillon de cristaux
liquides réorganise celui-ci en créant des propriétés diélectriques. Les effets perturbateurs
ainsi créés permettent de jouer sur la différence d'indice Dn pour le cristal liquide qui est
biréfringent ou de "casser l’organisation" du guide d’onde. Il vient donc l'idée qu'il est
possible d'influer sur l'angle de rotation du plan de polarisation de la lumière grâce à un signal
électrique. Cet angle sera défini grâce à l'intensité du champ appliqué aux molécules du
cristal.
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4- POURQUOI LES MATERIAUX OPTIQUEMENT ACTIFS ONT-ILS UN
POUVOIR ROTATOIRE SUR LE PLAN DE POLARISATION DE LA
LUMIERE EN L’ABSENCE DE CHAMPS ELECTROMAGNETIQUE?
a) Biréfringence rotatoire*
Fresnel explique le phénomène de rotation du plan de polarisation dans un matériau
biréfringent rotatoire de la façon suivante :
Les Twisted Nematic sont optiquement actif ou biréfringents rotatoires.
Sur un plan moléculaire les matériaux biréfringents rotatoire, ont les mêmes
propriétés moléculaires que pour la biréfringence, mais doivent en plus être chiraux. Ils
modifient la lumière polarisée qui s’y propage d’une manière très différente de la
biréfringence.
L’activité optique est due à une asymétrie des molécules ou des cristaux (chiralité).
Le milieu qui reçoit une excitation linéaire (lumière polarisée) renvoie une vibration linéaire,
mais tournée d’un certain angle par rapport à l’excitation. C'est-à-dire qu’ils influent sur
l’angle du plan de polarisation de la lumière.
b) Description de Fresnel
Figure 22: Représentation de l’onde polarisée et mise en évidence des deux composantes.
Soit E le vecteur champ électrique de la lumière polarisée rectilignement. Le vecteur E
peut être considéré comme la somme de deux vecteurs EG et ED en phase, de même amplitude
et de même fréquence mais tournant en sens inverse.
Bibliographie scientifique
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A l’inverse d’un milieu inactif les deux vecteurs EG et
ED, ne se déplacent pas à la même vitesse. Et dans un milieu inactif le plan de polarisation
n’aura pas changé de direction.
« Un milieu actif possède des propriétés physiques dissymétriques pour les champs EG et
ED. » (D’après http://www.faidherbe.org/site/cours/dupuis/actiopt.htm).
C'est-à-dire que le cristal liquide va modifier les champs E G et ED différemment. En
effet le TN à l’état macroscopique, possède un indice de réfraction différent, n G et nD, pour
chacun des champs. Ceci est du à la dissymétrie de la molécule.
c) Les lois de SNELL-DESCARTES
Première loi : « Le rayon incident, la normale et le rayon réfracté sont dans un même plan »
Deuxième loi : « Quand on fait varier l'angle d'incidence, il existe un rapport constant entre
les sinus des angles d'incidence et de réfraction. »
(D’après http://sc.physiques.free.fr/htmlfiles/cours/dejenef/intro_reflex.html).
Ces lois définissent une constante, appelée indice de réfraction, qui est propre à chaque
matériau laissant passer la lumière :
Soit les angles suivants :
î = angle d'incidence, entre le rayon
incident et le dioptre (en degrés)
r = angle de réfraction, entre le rayon
réfracté et le dioptre (en degrés)
Figure 23 : représentation des angles î et r.
d) Vitesse de la lumière en fonction de l’indice de réfraction
Ces indices ont été déterminés expérimentalement « en comparant la vitesse de la
lumière dans le milieu considéré et la vitesse de la lumière dans le vide » (D’après
http://sc.physiques.free.fr/htmlfiles/cours/dejenef/intro_reflex.html).
n=c/v
n : étant l’indice de réfraction du matériau (sans unité).
c : la vitesse de la lumière dans le vide (en m/s) (300000 km/s).
v : la vitesse de la lumière dans le matériau (en m/s).
L’indice de réfraction est différent donc la vitesse de propagation de chacun des deux vecteurs
EG et ED va être différente :
VG = c/nG
et
VD = c/nD
n (G/D) : étant l’indice de réfraction du matériau (sans unité).
c : la vitesse de la lumière dans le vide (en m/s) (300000 km/s).
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v (G/D) : la vitesse de la lumière dans le matériau (en m/s).
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e) Notion de déphasage
La vitesse est différente pour chacune des deux composantes de l’onde
électromagnétique. On va donc observer en sortie du milieu actif un déphasage entre ces deux
vecteurs.
Le déphasage est un décalage d’une onde par rapport à une autre dans le temps.
Figure 24 : Représentation du déphasage de deux ondes φ pour une longueur d’onde
identique.
f) La formule de Fresnel
On a donc ici conservation de la longueur d’onde pour les deux vecteurs EG et ED.
Mais on observe un déphasage d’une onde par rapport à l’autre.
Fresnel démontre qu’en sortie du milieu, on a une nouvelle vibration polarisée rectilignement,
mais que ce déphasage a produit une rotation de l’angle d’orientation du plan de polarisation.
Cet angle se trouve grâce à la formule de Fresnel :
A la sortie, la vibration circulaire droite D est en retard de :
L’angle du plan de polarisation sortant est :

L    ( nG  n D 

 : pouvoir rotatoire ou angle de rotation du plan de polarisation (deg) ;
L : épaisseur de substance active traversée (dm) ;
 : longueur d'onde de la lumière traversée (dm).
n (G/D) : étant l’indice de réfraction du matériau (sans unité).
g) La loi de BIOT
Pour simplifier cette équation la loi de Biot définit l’angle de rotation en fonction du
pouvoir rotatoire du matériau biréfringent rotatoire. On retrouve bien sur le pouvoir rotatoire
en fonction des indices de réfraction et de la longueur d’onde.
α = p . L
α : angle de rotation (en degrés)
L : longueur du cristal traversé (en dm)
p : pouvoir rotatoire du matériau (en degrés par dm)
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CONCLUSION
Pour conclure, cette bibliographie scientifique nous a permis d’apprendre de nouvelles
connaissances sur un point de vue purement scientifique. Elle nous aura aussi montrée
l’importance de connaître un sujet, non pas en se limitant à son explication technique, mais en
allant chercher les informations dans le fond scientifique du sujet (lois, principes...).
Nous avons beaucoup appris sur la technologie des écrans LCD, en, particulier sur les
propriétés cristaux liquides en interaction avec la lumière et le champ électromagnétique.
Nous nous sommes confrontés à beaucoup de problème de compréhension de
phénomènes physique, pour contournés ces problèmes, nous avons approfondie et orienter
différemment nos méthodes de travail.
Sur un plan personnel, la bibliographie scientifique nous aura appris beaucoup sur la
difficulté mais aussi l’importance du travail en équipe. En effet, même si elle comporte de
nombreuses difficultés comme l’organisation du travail de chacun ou encore l’harmonisation
de nos différents points de vue, elle permet de montrer la nécessité d’avancer ensemble en se
soutenant pour pouvoir atteindre des objectifs communs.
A plusieurs reprises, nous avons du faire appel à nos connaissances antérieures,
acquises durant nos différentes études. Le fait que nous ne venions de formations différentes,
a permis de croiser nos connaissances pour enrichir les informations apportées pour réaliser ce
projet.
Nous tenons aussi à remercier tout particulièrement notre ingénieure formatrice Corine
SALINGRE qui nous a suivie et conseillée durant toute la durée de l’élaboration de notre
bibliographie scientifique.
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GLOSSAIRE
Anisotrope : Se dit d’un matériau dont l’orientation des molécules n’est pas totalement
aléatoire et dont leurs positions restent quant à elles aléatoires (Cristaux liquides : orientation
ordonnée mais distribution dans l’espace aléatoire.).
Biréfringence : Au niveau moléculaire le matériau est anisotrope mais les molécules ou
atomes sont maintenant ordonnés dans l’espace selon un réseau périodique et régulier et sont
orientés dans la même direction. Il possède des propriétés optiques : il produit une double
réfraction de la lumière. De plus les deux rayons réfractés ont deux polarisations
orthogonales. Chez les cristaux liquides la différence entre les deux indices est assez élevée,
elle peut atteindre une valeur de 0.5.
Chiralité : Une molécule chirale peut se représenter de deux manières symétriques par rapport
à un axe mais elle n’aura pas forcement la même représentation de Cram (en 3D). Ce type de
molécule s’obtient par exemple lorsqu’un carbone asymétrique relié à quatre groupes
différents est présent dans la molécule. On appel ces deux version des énantiomères.
.
De plus une molécule chirale a la propriété particulière d’influer sur un rayonnement
électromagnétique, elle interfère donc sur la lumière. Un composé chiral est optiquement actif
et inversement.
Biréfringence rotatoire (ou activité optique) : Même propriétés moléculaire que pour la
biréfringence. Certaines substances, même isotropes, modifient la lumière polarisée qui s’y
propage d’une manière très différente de la biréfringence. L’activité optique est due à une
asymétrie des molécules ou des cristaux (chiralité). Le milieu qui reçoit une excitation linéaire
(lumière polarisée) de désexcite en renvoyant une vibration linéaire, mais tournée d’un certain
angle par rapport à l’excitation.
Bibliographie scientifique
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SOURCES
IMAGES :
Page de garde : les écrans LCD de gauche à droite :
(1 http://img.presence-pc.com/news/n/e/nec_lcd4000_big.jpg)
(2 http://www.26pf5521d.info/ecran-lcd/demonstration-ecran-lcd-philips-26pf5521d.jpg)
(3 http://media.laredoute.fr/product/picture/22808202o_aix.jpg)
Page 5 : (www.nec-display-solutions.fr)
PARTIE INTRODUCTION :
- www.erenumerique.fr
- www.hardware.fr
- www.nec-display-solutions.fr
PARTIE L’ETAT ET LA STRUCURE CRISTAL LIQUIDE :
- Techniques de l’ingénieur / A 1325 / CRISTAUX LIQUIDES
- http://perso.orange.fr/cristaux.leroux-girard
PARTIE LUMIERE ET POLARISATION :
- Techniques de l’ingénieur/ A 1325 / CRISTAUX LIQUIDES
- http://perso.orange.fr/cristaux.leroux-girard/introduction%20frameset.htm
- http://www.dotapea.com/cristal.htm
- http://euromin.w3sites.net/Nouveau_site/histoire/19eme/HIS19f.htm
- http://www.cours.phy.ulaval.ca/cours/22646/07-Birefringence_GPH-22646.doc
- http://www-ipcms.u-strasbg.fr/Agregation/TP/Birefringence.pdf
PARTIE APPLICATION D’UN CHAMP ELECTRIQUE SUR LES CRISTAUX
LIQUIDES :
- Techniques de l’ingénieur/ A 1325 / CRISTAUX LIQUIDES
- http://perso.orange.fr/cristaux.leroux-girard
DERNIERE PARTIE :
- http://www.faidherbe.org/site/cours/dupuis/actiopt.htm (loi de Biot)
- http://www.univ-lemans.fr/enseignements/physique/02/cristallo/bragg.html (loi de Bragg)
- http://www.sciences.univ-nantes.fr/physique/perso/charrier/tp/polaro/prologue.html
Bibliographie scientifique
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