TP cristaux liquides

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
plaque de verre
électrodes
colle
plaque de verre
miroir
Couches
d’orientation
Polariseur
Fig. 1: Structure d’un afficheur à cristaux liquides.
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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 P1 et P2 croisés. (a) Aucune tension n’est appliquée entre
les électrode E1 et E2 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
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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
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– 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
condenseur
cellule
LCD
lentille
lentille
polariseur
écran
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.
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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
cellule LCD
(zone 4)
lame l/4
photodiode
diode laser
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 ».
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3.1 Courbe de transmission
Envoyer à l’aide du GBF un signal carré de 100 Hz (fréquence nominale d’utilisation).
Tracer Uphotodiode 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
cellule LCD
(zone 2)
diode laser
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 U0 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 ?
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