TP cristaux liquides Master pro Laser, Matériaux, Milieux Biologiques Phénomènes de polarisation de la lumière: Étude d un afficheur à cristaux liquides Année 2008 2009 Le but de ce TP est de comprendre et décrire le fonctionnement d un afficheur à cristaux liquides ou cellule LCD («Liquid Crystal Display»). 1 Description de la cellule à cristaux liquides 1.1 Structure de l afficheur à cristaux liquides «nématique en hélice» L afficheur à cristaux liquides est de type nématique en hélice. Il est composé de [Fig. 1] : deux plaques de verre recouvertes d électrodes transparentes et conductrices, situées face à face, et qui permettent d imposer un champ électrique vertical dans la couche de cristal liquide ; deux couches d orientation, qui servent d interface entre le cristal liquide et les électrodes déposées sur le verre ; d une fine couche de cristal liquide dans une phase nématique, emprisonnée entre les deux plaques de verre, et soumise au champ électrique ; deux polariseurs optiques, qui permettent de visualiser le changement d état de la couche de cristal liquide en fonction du champ électrique. Polariseur cristal liquide colle plaque de verre plaque de verre électrodes miroir Couches d orientation Polariseur Fig. 1: Structure d un afficheur à cristaux liquides. 1
Les molécules du cristal liquide nématique ont tendance à s orienter spontanément de manière parallèle les unes aux autres. D autre part, elles sont ancrées solidement sur les faces de verre grâce aux couches d orientation. Ces couches sont par exemple de minuscules sillons parallèles réalisés par frottage, de manière à ce que les molécules de cristal liquide proches des parois viennent se positionner dans ces minuscules sillons. Les directions d ancrage sont perpendiculaires sur les deux plaques de verre, et parallèles à chaque fois aux axes des polariseurs. Ainsi, en l absence de champ électrique, les molécules s orientent naturellement sous la forme d une hélice [Fig. 2.(a)]. En présence d un champ électrique supérieur à une valeur critique, les molécules de cristal liquide éloignées des parois tendent à s orienter parallèlement au champ. Par contre, les molécules voisines des parois restent solidement ancrées dans les sillons pratiquées sur les couches d orientation. Un champ électrique suffisant détruit ainsi la structure en hélice, c est ce qu on appelle la transition de Fredericks. Lorsque le champ électrique n est plus présent, les molécules de cristal liquide reprennent spontanément une structure en hélice car elles tendent à redevenir parallèles aux premières molécules ancrées le long des parois. 1.2 Principe de fonctionnement de l afficheur Un liquide nématique est anisotrope pour la propagation de la lumière, avec son axe optique parallèle aux molécules. ( a ) ( b) Fig. 2: Schéma de principe d une cellule LCD constituée d un cristal liquide nématique en hélice entre deux polariseurs P 1 et P 2 croisés. (a) Aucune tension n est appliquée entre les électrode E 1 et E 2 de la cellule. (b) Lorsqu une tension est appliquée, les molécules s orientent parallèlement au champ et la transmission de la lumière n est plus possible. En absence de champ électrique, lorsqu une lumière polarisée rectilignement selon la direction TP Cristaux liquides Partie expérimentale 2
passante du premier polariseur arrive sur la cellule, sa polarisation tourne de 90 à la traversée du cristal liquide en suivant la direction de l axe des molécules. La lumière est alors transmise car elle est polarisée selon la direction passante du deuxième polariseur à la sortie de la cellule [Fig. 2.(a)]. On peut considérer le cristal liquide twisté comme un milieu uniaxe inhomogène dont l axe tourne avec l hélice. Sous l application d un champ électrique suffisant les molécules s orientent dans la direction du champ de telle sorte que l axe optique est maintenant le long de l axe de propagation de la lumière. La polarisation n est donc plus modifiée et la lumière voit seulement les deux polariseurs croisés, elle n est donc pas transmise [Fig. 2.(b)]. C est ce qui se passe lorsqu un segment ou pixel d écran à cristaux liquides apparaît noir. La tension est appliquée entre deux électrodes transparentes, ayant la forme du segment, gravées sur les parois intérieures de la cavité. Sur une des deux faces, toutes les électrodes sont reliées à une broche commune. Sur l autre face, chaque électrode est reliée à sa propre broche. Pour noircir un segment, il faut donc appliquer une tension entre sa broche et la broche commune. Un afficheur peut fonctionner en transmission, mais il est souvent utilisé en réflexion en ajoutant un film réfléchissant faisant office de miroir au dos de la cellule. Lorsque la lumière arrive sur un segment où est appliqué un champ électrique, elle est absorbée et n arrive donc pas jusqu au miroir, le segment apparaît noir. Mais lorsqu elle arrive sur une zone sans champ électrique, elle peut traverser la cellule, elle se réfléchit sur le miroir et peut de nouveau traverser la cellule : cette zone apparaît claire. 1.3 Caractéristiques de l afficheur utilisé en TP L afficheur est constitué de l empilement de quatre couches : le film polariseur de devant (P1), la cellule à cristaux liquides (CL), le film polariseur de derrière (P2) et le film réfléchissant (M). Il comporte 4 zones, comme le montre la figure 3. Fig. 3: L afficheur à cristaux liquides comporte 4 zones, numérotées de 1 à 4. Il est monté sur une plaquette où sont réalisées les connexions électriques. Toutes les broches individuelles (correspondant à un segment particulier) sont reliées entre elles. En appliquant une tension entre ses broches et la broche commune, on peut faire s afficher tous les segments en même temps. Les films ont été partiellement retirés sur chacune des zones 1-4 pour permettre l étude du fonctionnement de l afficheur : zone 1 : P1 / CL / P2 / M TP Cristaux liquides Partie expérimentale 3
zone 2 : P1 / CL / P2 zone 3 : P1 / CL zone 4 : CL Il est recommandé de ne pas dépasser 5 V de tension. La fréquence de fonctionnement nominale est comprise entre 60 Hz et 300 Hz mais l afficheur peut aussi être alimenté en tension continue. 2 Analyse du fonctionnement de la cellule à cristaux liquides Réaliser le montage de la figure 4. La cellule est éclairée à l aide d une lampe à vapeur de mercure en lumière quasi parallèle et on fait son image sur un écran à l aide d une lentille convergente. lampe à vapeur de mercure diaphragme cellule LCD condenseur lentille lentille écran polariseur Fig. 4: Montage optique pour l analyse du fonctionnement de la cellule à cristaux liquides. 2.1 Transmission en l absence de champ électrique Retirer les polariseurs du montage de la figure 4 et réaliser les expériences suivantes sur chacune des différentes zones : Zone 2 : Déterminer la direction de l axe de P1, puis celle de P2. Zone 3 : Placer le polariseur derrière et analyser la polarisation à la sortie de la cellule en l absence de P2. La polarisation a-t-elle tourné? Si oui, de quel angle? Zone 4 : Placer un polariseur devant avec sa direction passante perpendiculaire à celle qu avait P1. Analyser la polarisation à la sortie à l aide du deuxième polariseur. La polarisation a-t-elle tourné? Si oui, de quel angle? Qu observe-t-on pour une orientation quelconque du deuxième polariseur? Que peut-on en conclure? En particulier, préciser l orientation des axes neutres du cristal liquide à l entrée de la cellule. Pour quelle orientation la teinte est-elle la plus contrastée? Pourquoi? Chauffer à l aide du sèche-cheveu la zone 4 et observer la transition entre la phase nématique en hélice et la phase isotrope. TP Cristaux liquides Partie expérimentale 4
2.2 Application d un champ électrique Retirer les polariseurs du montage de la figure 3. Alimenter la cellule de cristal liquide dans ses conditions nominales d utilisation (signal sinusoidale à 100 Hz, de 4 V environ). Observer la zone 1 en réflexion et la zone 2 en transmission (image de la zone 2 sur l écran). Expliquer les observations. Zone 3 : placer un polariseur derrière. Qu observe-t-on lorsque sa direction passante est perpendiculaire à P1? Lorsqu elle est parallèle à P1? Expliquer. 2.3 Mesure de la biréfringence par la méthode de la λ/4 Dans cette partie, on désire mesurer la biréfringence du cristal liquide. Retirer la lampe à vapeur de mercure et réaliser le montage de la figure 5. On utilise une diode laser émettant dans le rouge. On ne s intéresse qu à la zone 4 et on mesure l intensité transmise grâce à un ensemble lentille - diaphragme - photodiode monté sur un support unique. La sortie de la photodiode est envoyée sur un boîtier électronique puis vers l oscilloscope. Vérifier que la diode laser est polarisée. Quelle est sa direction de polarisation? Placer le polariseur à 45 des axes de la cellule à cristaux liquides. Quel est l état de polarisation de la lumière en sortie de la zone 4? oscilloscope diode laser cellule LCD (zone 4) lame /4 photodiode polariseur analyseur lentille diaphragme électronique de la photodiode Fig. 5: Montage optique pour la mesure de la biréfringence de la cellule à cristaux liquides. Analyser la polarisation en sortie à l aide de la lame λ/4 et d un analyseur. En déduire le produit n e où n est la différence entre l indice ordinaire et extraordinaire et e l épaisseur de la couche de cristal liquide. 3 Mesure du coefficient de transmission en fonction de la tension appliquée Réaliser le montage de la figure 6. Éclairer la cellule au niveau de la zone 2 au milieu d un segment du «8». TP Cristaux liquides Partie expérimentale 5
3.1 Courbe de transmission Envoyer à l aide du GBF un signal carré de 100 Hz (fréquence nominale d utilisation). Tracer U photodiode en fonction de l amplitude du signal carré. Vous pourrez aussi visualiser cette courbe directement à l aide du mode XY de l oscilloscope et de la persistance infinie. oscilloscope diode laser cellule LCD (zone 2) photodiode lentille diaphragme électronique de la photodiode GBF Fig. 6: Montage pour la mesure du coefficient de transmission en fonction de la tension appliquée. Expliquer l allure de la courbe et déterminer la tension correspondant à la transition de Fredericks. 3.2 Visualisation et évolution de la courbe d hystéresis Alimenter la cellule avec un signal triangulaire de fréquence 1 Hz. Visualiser le cycle d hystéresis à l oscilloscope. La transition se produit-elle en avance ou en retard à la montée par rapport à la descente? Observer comment se modifie la courbe d hystéresis lorsque que vous augmentez la fréquence. À partir de quelle fréquence le cycle disparaît-il? 3.3 Étude du temps de réponse Alimenter la cellule avec un signal carré de fréquence 2 Hz, d amplitude U, et de tension d offset U 0 proche de la valeur de la transition de Fredericks. Mesurer le temps de monté et le temps de descente en fonction de U. Lequel est le plus faible? Comment évoluent ces temps avec U? TP Cristaux liquides Partie expérimentale 6