Classes préparatoires à CPE Lyon Lyon, le 10 avril 2006 Institution des Chartreux Année scolaire 2005-2006 8 place Abbé Larue 69005 Lyon LES CRISTAUX LIQUIDES Professeur accompagnateur : Monsieur BAYET A l attention de : Monsieur François Bois Les membres du jury Groupe n 36 Caroline BESSON Estelle LABOULLE Cécile LE VAN 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. f = dz (K 2 /2) (dθ/dz)² K 2 constante élastique de torsion θ angle de torsion z axe de torsion La viscosité est importante car elle intervient dans les temps de réponse. Celui d un nématique soumis à une torsion est : γ τ γ i /K 2 *(D/π) 2 i viscosité de torsion K 2 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. schéma 3.3. 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 : galvan@cpe.fr 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.