les cristaux liquides

Classes préparatoires à CPE Lyon
Institution des Chartreux
8 place Abbé Larue
69005 Lyon
Lyon, le 10 avril 2006
Année scolaire 2005-2006
LES CRISTAUX LIQUIDES
Professeur accompagnateur :
Monsieur BAYET
Groupe n°36
Caroline BESSON
Estelle LABOULLE
Cécile LE VAN
A l’attention de :
Monsieur François Bois
Les membres du jury
L’objectif de ces TIPE est de répondre à la problématique : « en quoi la dualité, présente dans l’état
cristal liquide, permet-elle la mise au point d’une nouvelle génération d’afficheurs : les écrans
LCD ? ».
Pour répondre à cette question, nous avons d’abord effectué un travail de recherche en nous rendant
notamment aux bibliothèques de la Part Dieu et de l’ENS puis en rencontrant Mr Galvan, professeur
d’optique à CPE LYON, qui nous a fourni une vaste documentation. A partir de ces informations, nous
avons élaboré un plan permettant la rédaction du synoptique et la préparation de la soutenance orale et
avons réalisé, en parallèle, une expérience au laboratoire d’optique.
INTRODUCTION
En 1888, l’autrichien Friedrich Reinitzer et son collègue Lehmann qui étudiaient les cristaux de
benzoate de cholestérol, extraits de calculs biliaires, ont découvert qu’ils possédaient l’aspect
caractéristique des cristaux lorsqu’on les observe sous lumière polarisée mais qu’ils coulaient comme
des liquides. De là est né le nom de « cristal liquide » en 1900. Aujourd’hui, ils trouvent leur principale
application dans les afficheurs à cristaux liquides.
1. PROPRIÉTÉS PHYSICO-CHIMIQUES
1.1.
Définition de l’état de cristal liquide
Les cristaux liquides sont caractérisés par un état intermédiaire entre la phase cristalline, où règne un
ordre de position tridimensionnel et la phase liquide où aucun ordre n’existe. Grâce à leur ordre de
position partiel (dimension 1 ou 2), les cristaux liquides possèdent les propriétés d’anisotropie des
cristaux tout en ayant un aspect fluide.
La plupart des cristaux liquides sont constitués de molécules organiques qui comportent aux moins deux
parties différentes, par leur structure (une partie rigide et une partie flexible) et par leurs propriétés
(l’une hydrophile et l’autre hydrophobe). Les molécules, globalement neutres, peuvent posséder un
moment dipolaire ce qui permet de les assimiler à un dipôle électrique permanent.
1.2.
Les différentes phases
Il existe de nombreuses phases pour les cristaux
liquides que l’on peut répertorier dans 3 grandes
« familles » :
nématique
cholestérique
smectique A
.
Phase smectique : elle possède un ordre de position à une seule dimension, le matériau étant stratifié en
couches pouvant glisser les unes par rapport aux autres. Dans chacune des couches, les molécules
possèdent la même orientation.
Phase nématique : c’est la plus employée pour les applications en électronique. Elle est caractérisée par
l’absence d’ordre de position. Seul un ordre d’orientation est présent et une direction moyenne est
définie.
Phase cholestérique : elle rejoint la phase nématique mais en plus, son vecteur directeur possède une
orientation périodique hélicoïdale ce qui est très intéressant pour les applications en électronique.
1.3.
Propriétés mécaniques
Nous nous intéresserons uniquement à l’élasticité et à la viscosité qui ont une incidence sur les
afficheurs à cristaux liquides.
L’énergie élastique provient de l’interaction entre les molécules. Elles apparaît dans les smectiques
quand le vecteur directeur n’a pas la même orientation : il y a alors création d’une force de rappel pour
un retour à l’équilibre. L’étude de l’énergie élastique de torsion peut, sous application d’un champ
électromagnétique, provoquer un déplacement des molécules du fluide.
K2 constante élastique de torsion
θ angle de torsion
z axe de torsion
f = ∫ dz (K2/2) (dθ/dz)²
La viscosité est importante car elle intervient dans les temps de réponse. Celui d’un nématique soumis à
une torsion est :
γi viscosité de torsion
2
τ ≈ γi/K2*(D/π)
K2 constante élastique de torsion
D épaisseur du film
2. PROPRIÉTÉS OPTIQUES
2.1.
Polarisation de la lumière
Polariser la lumière revient à donner une direction spécifique au champ électrique qui la constitue. En
effet, la lumière naturelle n’est pas polarisée : elle se propage dans toutes les directions ; la direction du
champ électrique est donc aléatoire. Si la lumière traverse un milieu dit polariseur, celle-ci ne sera
transmise que selon un plan appelé « plan de polarisation ».
x
E
z
Onde naturelle non polarisée
y
B
Si le vecteur B ou le vecteur E conserve son orientation dans le plan (Oxy), l’onde sera polarisée
rectilignement.
Les cristaux liquides ont de telles propriétés polarisantes qui sont utilisées pour l’affichage.
2.2
Action d’un champ électrique sur les cristaux liquides
Les cristaux liquides ont des structures chimiques variables. Si le barycentre des charges positives de la
molécule n’est pas confondu avec celui des charges négatives, la molécule constitue un dipôle électrique
permanent. Lorsque ces barycentres sont confondus, on peut appliquer aux molécules un champ
électrique, qui du fait de l’agitation, va créer un moment dipolaire induit.
Les cristaux liquides se comportent donc comme des dipôles, permanents ou induits, qui sous l’action
d’un champ électrique, sont soumis à un couple de forces et vont s’orienter selon les lignes de ce champ.
Il est possible de les diriger en changeant la direction du champ électrique qu’on leur applique.
2.3
Mode nématique en hélice ou nématique twisté
Voici la structure générale d’une cellule à cristaux liquides en mode nématique twisté : les cristaux sont
coincés entre deux plaques appelées couches d’ancrage, elles-mêmes comprises entre deux polariseurs
croisés.
Les deux couches d’ancrage sont des plaques
gravées de sillons dont les directions sont
perpendiculaires l’une par rapport à l’autre. Au
repos, les cristaux qui s’orientent selon ces
sillons passe progressivement d’une direction à
l’autre, pour former une « hélicoïde » qui tourne
d’un quart de tour. Ainsi, si une lumière passe à
travers une couche de cristal, celle-ci va suivre
la rotation de l'hélicoïde grâce au pouvoir
polarisant des cristaux liquides. Les polariseurs
étant croisés, c’est-à-dire que les plans de
polarisation sont orthogonaux, la lumière peut
traverser la cellule.
Si on applique un champ électrique aux cristaux
liquides, ils vont s’orienter dans la direction du
champ. Le deuxième polariseur bloque alors la
lumière, puisque les cristaux ne l’auront plus
dirigé dans le plan nécessaire à son passage. En
sortie, il y a donc extinction de la lumière.
3.
APPLICATIONS
3.1.
Description d’une cellule à cristal liquide permettant l’affichage digital
Schéma général d’une cellule à cristal liquide
5 5
1 : plaques support
1
66
2 : joint (cale d’épaisseur)
3 : cristal liquide
4 : bouchon
2
1
4
3
7
5 : contacts
6 : électrodes
7 : contre-électrodes
La cellule à cristal liquide est formée de deux
plaques support, en général en verre, collées l’une
sur l’autre par un joint périphérique qui ménage
une cavité de faible épaisseur remplie de cristal
liquide. L’allumage ou l’extinction d’une électrode
est rendu possible en appliquant, de l’extérieur, une
tension entre un contact d’accès de la plaque
supérieure et un contact de la plaque inférieure.
3.2.
Principe de fonctionnement des afficheurs à cristaux liquides
Il existe deux méthodes d’adressage des afficheurs
à cristaux liquides : l’adressage direct qui ne
concerne que les écrans ne comportant qu’un
nombre réduit de pixels, tels que ceux utilisés dans
les calculatrices ou les montres, et l’adressage
matriciel qui permet d’en commander un plus
grand nombre et de réaliser ainsi des afficheurs
beaucoup plus complexes tels que les écrans LCD.
Cependant, ce dernier type d’adressage nécessite
un multiplexage temporel puisqu’il est, dans ce cas,
impossible d’adresser les pixels en permanence.
3.3.
schéma
Limites des écrans LCD
Les écrans LCD présentent des limites que les spécialistes tentent constamment de repousser. Le temps
de réponse, la réflectance, la luminance, le contraste ou encore la directivité sont autant de critères qui
peuvent encore être améliorés pour réduire le coût de ces écrans.
La directivité est l’une des plus grandes faiblesses de ces écrans. En effet, en s’éloignant de l’axe de
l’écran, on perd en luminosité, la couleur change parfois considérablement et surtout le contraste
diminue jusqu’à fournir une image totalement « délavée ».
Grâce à une cellule photoélectrique, nous avons
mesuré cette variation de luminosité selon
plusieurs axes (horizontal et vertical) et angles de
vue sur un écran d’ordinateur portable. La courbe
ci-dessous correspond à l’une de ces mesures.
CONCLUSION
Cette expérience des TIPE nous a beaucoup appris tant sur le plan des connaissances, notamment en
optique, que sur le plan personnel. En effet, il est intéressant de comprendre le mode de fonctionnement
de ces nouvelles technologies que sont les écrans LCD qui s’intègrent de plus en plus dans notre
quotidien.
BIBLIOGRAPHIE
Sites Internet :
- http://perso.wanadoo.fr/cristaux.leroux-girard
- http://wikipedia.org/wiki/Cristaux_liquides
- http://cristauxliquides.fr.st
- http://science.univ-nantes.fr/physique
Ouvrages :
- Liquid crystals, Nature’s Delicate Phase of Matter, Peter J. Collings
- Les cristaux liquides, Oswald Patrick, Gordon Breach, 2000
Contacts :
Mr GALVAN, professeur d’optique à CPE - Lyon
Mail : [email protected]
Bibliothèque de l’ENS, 46 allée d’Italie 69364 LYON 07
REMERCIEMENTS
Nous tenons à remercier Monsieur GALVAN pour sa disponibilité et le temps qu’il a consacré pour
répondre à nos questions.
Nos remerciements s’adressent également à Monsieur BAYET qui nous a accompagnées durant
l’élaboration de nos TIPE ainsi qu à Monsieur BOIS.