FR2886418A1 - Utilisation d'un materiau a base de cristal liquide afin de fabriquer un dispositif d'obturation electro-optique, dispositif et casque stroboscopique conformes a cette utilisation - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une utilisation d'un matériau électro-optique, constitué par l'association d'au moins un cristal liquide smectique ferroélectrique chiral et/ou d'au moins un cristal liquide anti-ferroélectrique et d'un polymère,pour la fabrication d'un dispositif d'obturation électro-optique (11), commutable, notamment selon un mode stroboscopique, entre au moins un état passant et un état bloquant, qui soit dans l'état bloquant de manière stable lorsqu'aucun champ électrique n'est appliqué au matériau électro-optique, ledit état bloquant correspondant à un unique état stable dudit matériau électro-optique.

Description

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Utilisation d'un matériau à base de cristal liquide afin de fabriquer un dispositif d'obturation électro-optique, dispositif et casque stroboscopique conformes à cette utilisation.

1. Domaine de l'invention L'invention concerne le domaine de la conception et de la réalisation des obturateurs optiques mettant en oeuvre des matériaux à base de cristaux liquides.

L'invention trouve tout particulièrement, mais non exclusivement, son application pour la réalisation de casques utilisés pour pratiquer les opérations de soudure à l'arc.

Les procédés de soudure à l'arc impliquent l'émission d'une lumière d'intensité très élevée nocive pour l'homme dont il convient de se protéger par des moyens adéquats. Il est donc connu d'utiliser des casques dont la partie recouvrant le visage est constituée d'un matériau translucide fortement teinté. Cette partie de casque doit être rabattue sur le visage à chaque opération de soudure. Par contre, elle doit être relevée en dehors des opérations de soudure car elle ne laisse alors pas suffisamment passer la lumière pour permettre à l'utilisateur de voir correctement.

2. Art Antérieur Il a donc été proposé dans l'état de la technique de pourvoir ces casques d'obturateur mettant en oeuvre des matériaux à base de cristaux liquides équipant la partie de casque rabattable sur le visage. Notamment WO0122906 décrit des dispositifs de protection pour soudure incluant du cristal liquide standard (nématiques).

De tels matériaux à base de cristaux liquides constituent des matériaux dont on peut modifier les propriétés optiques et notamment la biréfringence en leur appliquant un champ électrique. En insérant de tels matériaux à base de cristaux liquides dans une ou plusieurs cellules, placée entre des polariseurs et/ou des analyseurs croisés, on obtient des obturateurs pouvant être commandés par une tension.

2886418 2 Ces casques sont commutables, c'est-à-dire que leur obturation est déclenchée par un signal optique externe (par exemple par déclenchement de l'arc). Cependant, ils ne permettent pas de fonctionner en mode stroboscopique (explicitée dans le document de brevet français n 0502510) car les obturateurs dont ils sont équipés présentent des temps de descente (ou de relaxation) trop lents et donc incompatibles avec ce régime de fonctionnement pour lequel la durée d'émission de l'arc occupe une durée importante du rapport cyclique (suivant le principe décrit dans le brevet français n 0502510).

De tels obturateurs optiques à base de cristal liquide peuvent observer au moins deux états, à savoir au moins un état dit passant, selon lequel ils laissent passer la lumière et un état obturé ou bloquant, selon lequel il ne laisse pas passer la lumière ou selon lequel ils ne laissent passer qu'une faible partie de celle-ci.

Afin de remplir correctement leur fonction, le matériau à base de cristal liquide qu'ils contiennent doit présenter un certain nombre de caractéristiques.

En premier lieu, ce matériau doit présenter une bonne extinction dans le domaine visible considéré. Par exemple, pour la réalisation de casques à soudure, cette extinction devra être égale ou supérieure à 30 dB, dans la bande visible considérée, à savoir 550 à 750 nm.

Par contre, dans le ou les états passants, il ne devra pas provoquer une extinction trop importante. Toujours dans l'exemple de la réalisation des casques à soudure, cette extinction dans le ou les états passants ne doit pas être supérieure à 3 dB maximum dans la bande visible considérée.

Un tel matériau doit de plus, pour de nombreuses applications, pouvoir être prévu sur une surface, couramment appelée pupille optique , relativement grande.

Dans l'exemple de la réalisation des casques pour la soudure à l'arc, cette pupille optique devra au moins être égale à 1cm2 dans le cas d'une pupille carrée, ou avoir un diamètre d'au moins 1,5 cm dans le cas d'une pupille circulaire.

2886418 3 On notera également que de tels matériaux doivent avantageusement présenter des temps de réponse (autrement appelé temps de commutation) pour l'obturation rapide et de préférence inférieure à la milliseconde pour le fonctionnement en mode stroboscopique visé.

À ce sujet, on notera qu'en ce qui concerne la réalisation de casques pour la soudure à l'arc, une fréquence d'obturation de quelques kilohertz permettra de faciliter l'asservissement d'un dispositif de déclanchement de l'arc de soudure, et ainsi de garantir de meilleures conditions de sécurité pour l'opérateur (absence d'hystérésis, temps de montée et de relaxation raides, etc.) et surtout un fonctionnement en mode stroboscopique.

On notera aussi que les obturateurs optiques à base de cristaux liquides ne devront généralement pas nécessiter de tension de commande élevée ni une consommation électrique importante. Ainsi pour l'équipement des casques de soudure à l'arc, la tension de commande devra être de l'ordre de quelques dizaines de volts (typiquement, 10 à 30 volts).

De tels obturateurs optiques devront aussi présenter une bonne résistance aux chocs, puisqu'ils seront utilisés dans des conditions relativement difficiles et pour cette même raison présenter une gamme de fonctionnement sur des gammes de températures relativement larges. Par exemple dans le cas de la réalisation de casques à soudure, l'obturateur optique devra au moins fonctionner dans une gamme de températures comprises entre 0 et 30 C.

Il existe dans l'état de la technique différents dispositifs d'obturation optique. Outre les obturateurs purement mécaniques, qui permettent des obturations totales mais sont lents, coûteux et souvent encombrants, on connaît des obturateurs utilisant l'effet électro-optique ou magnétooptique. La plupart utilisant l'effet électro-optique en mettant en oeuvre, par exemple, des matériaux à base de cristaux liquides qui sont les moins coûteux. La qualité du contraste est liée aux caractéristiques du matériau à base de cristaux liquides, aux polariseurs et au nombre de cellules de matériaux à base de cristaux liquides cascadées.

Ainsi on connaît des obturateurs optiques mettant en oeuvre des matériaux à base de cristaux liquides nématiques et d'autres obturateurs mettant en oeuvre des matériaux à base de cristaux liquides smectiques.

On connaît aussi des obturateurs à base de PDLC ( Polymer dispersed liquid crystal ) smectique ou nématique. De tels PDLC sont constitués par l'association d'au moins un cristal liquide (nématique ou smectique) et de polymère(s). Ils constituent également des matériaux électro- optiques dont on peut modifier les propriétés optiques et notamment la valeur de leur indice de réfraction en leur appliquant un champ électrique. L'effet utilisé est alors un effet de diffusion (atténuation sélective par diffusion plus ou moins importante). Il n'est donc pas nécessaire de disposer dans ce cas de polariseurs et/ou d'analyseurs croisés.

Toutefois, les obturateurs optiques mettant en oeuvre des matériaux à base de cristaux liquides connus dans l'état de la technique présentent un certain nombre d'inconvénient diminuant leur intérêt pour certaines applications telles que notamment, la réalisation de casques de soudure à l'arc.

Les cristaux liquides nématiques et les PDLC à base de cristaux liquides nématiques présentent l'inconvénient d'impliquer des temps de réponse médiocres de l'ordre de quelques dizaines de millisecondes incompatibles avec un fonctionnement en mode stroboscopique. Le passage d'un état passant à l'état obturé, s'il est adapté pour des applications d'affichage, est trop lent pour d'autres applications. Notamment, dans le cadre de la soudure à l'arc, l'arc, c'est-à-dire la source lumineuse, apparaît instantanément et non progressivement. La faible vitesse du passage à l'état obturé ne peut donc empêcher le passage, pendant un court instant, d'une lumière d'intensité trop forte, ce qui peut s'avérer gênant ou même dangereux à long terme pour un utilisateur.

2886418 5 Les PDLC à base de cristaux liquides nématiques n'autorisent de plus pas de contraste suffisant entre un état passant et l'état obturé avec de faibles épaisseurs et par conséquent des tensions de commande raisonnables. Ils sont par ailleurs trop lents.

Les cristaux liquides smectiques (ferroélectriques FLC ou antiferroélectrique AFLC) sont plus rapides que les nématiques mais présentent des défauts spécifiques sur des grandes pupilles et sont plus fragiles. Ils ne peuvent en outre être utilisés que sous des épaisseurs faibles. Leur réalisation sous forme de PDLC est difficile à obtenir et peu stable.

Une façon de prévenir la formation de défauts consiste à utiliser la stabilisation par un polymère (PSLC) sans hypothéquer les temps de réponse (ou de commutation) rapides des smectiques (PSFLC ou PSAFLC).

Dans le cadre de la protection de l'oeil d'un utilisateur d'un poste de soudure à l'arc (ou, plus généralement, de la protection de tout système optique), une contrainte, souvent liée aux normes de sécurité, impose qu'il n'y ait pas de risque de passage d'une lumière d'intensité trop forte à travers le dispositif d'obturation en cas de panne de l'alimentation.

Une autre contrainte est qu'une lumière d'intensité trop forte ne puisse pas passer en cas de panne de l'obturation, et ce, quelles que soient les conditions 20 environnementales comme la température.

3. Objectifs de la présente invention Un des objectifs de la présente invention est de proposer une nouvelle mise en oeuvre d'un matériau à base de cristal liquide permettant la réalisation d'obturateurs optiques notamment pour casque fonctionnant en mode stroboscopique ne présentant pas les inconvénients cités ci-dessus de l'état de la technique.

Notamment un objectif de la présente invention est de proposer une telle mise en oeuvre qui permette d'obtenir un dispositif d'obturation optique permettant de 2886418 6 prévenir tout risque de passage d'une lumière d'intensité trop forte à travers le dispositif en cas de panne de l'alimentation.

Un autre objectif de la présente invention est de proposer une telle mise en oeuvre qui permette d'obtenir un tel dispositif d'obturation optique qui empêche de passer une lumière trop forte en cas de panne de l'alimentation quelle que soit la température.

Encore un objectif de la présente invention est de proposer une telle mise en oeuvre autorisant des temps de réponse (et notamment le temps de relaxation) faibles inférieurs à la milliseconde, en pratique de l'ordre de la dizaine de microsecondes), et donc des vitesses de commutation importantes et compatibles avec un fonctionnement en mode stroboscopique.

Un autre objectif de la présente invention est de décrire une telle mise en oeuvre autorisant un contraste élevé, c'est-à-dire supérieur ou égal à 30 dB.

Encore un objectif de la présente invention est de divulguer une telle mise en oeuvre qui puisse permettre la réalisation de dispositifs d'obturation optique à pupille optique large, à savoir supérieur à lcm2 ou de diamètre supérieur à 1,5 cm, et homogène.

Egalement un objectif de l'invention est de décrire une telle mise en oeuvre qui permette la réalisation de dispositifs d'obturation optique incluant un tel matériau essentiellement exempt de défauts.

L'objectif de la présente invention est aussi de proposer une telle mise en oeuvre qui permette la réalisation de dispositifs d'obturation optique qui présentent une robustesse élevée et qui soient susceptibles de pouvoir être utilisés dans des gammes de température larges.

4. Exposé de l'invention Ces différents objectifs sont atteints grâce à l'invention qui concerne une utilisation d'un matériau électro-optique, constitué par l'association d'au moins un cristal liquide smectique ferroélectrique chiral et/ou d'au moins un cristal liquide antiferroélectrique et d'un polymère, pour la fabrication d'un dispositif d'obturation électro-optique, commutable, notamment selon un mode stroboscopique, entre au moins un état passant et un état bloquant, qui soit dans l'état bloquant de manière stable lorsqu'aucun champ électrique n'est appliqué au matériau électro-optique, ledit état bloquant correspondant à un unique état stable dudit matériau électro-optique.

Le principe général de l'invention consiste à mettre en oeuvre, dans un obturateur électro-optique, un matériau à base de cristal liquide smectique ferroélectrique chiral ou de cristal liquide antiferroélectrique et d'un polymère dans des proportions adaptées afin de s'assurer que cet obturateur est dans un état bloquant (ou obturé) de manière stable lorsque l'on applique pas de champ électrique au matériau à base de cristal liquide, et notamment dans le cas d'une panne d'alimentation.

Un tel matériau électro-optique est donc dans un état physiquement stable lorsqu'aucun champ électrique ne lui est appliqué, cet état est le seul état dans lequel il est stable (on parle de matériau monostable).

Cet état stable est insensible aux conditions environnementales comme la température dans la gamme considérée. De plus, le temps de relaxation du matériau électro-optique (qui est le temps de réponse d'un état correspondant à un champ appliqué (autrement dit un état adressé) à l'état stable) est très petit (tel qu'expliqué ci-après) et faiblement dépendant de la température dans la gamme opérationnelle considérée.

Le matériau électro-optique comprend deux temps de réponse que sont le temps de monté de l'état stable à un état adressé et le temps de relaxation d'un état adressé à l'état stable.

Dans la suite, on parlera indistinctement de temps de réponse du matériau électro-optique ou de temps de réponse du dispositif d'obturation, le temps de réponse du matériau élecro-optique étant sensiblement égal à celui du dispositif d'obturation.

Ainsi, cette utilisation particulière permet d'adresser le problème technique nouveau consistant à prévenir tout risque de passage d'une lumière d'intensité trop forte à travers un dispositif d'obturation électro-optique en cas de panne de son alimentation. Cette utilisation particulière permet également d'adresser le problème du fonctionnement en mode stroboscopique.

En effet, le fait que l'état bloquant du dispositif corresponde à l'unique état stable du matériau électro-optique fait qu'en cas de coupure de l'alimentation, le matériau électro-optique regagne très rapidement cet état stable ce qui force très rapidement le dispositif d'obturation dans son état bloquant.

Un tel matériau est réalisé à partir de composés connus en tant que tels mais dont la combinaison pour cette application particulière n'avait jamais été proposé dans l'état de la technique.

Selon un premier mode de mise en oeuvre avantageux de l'invention, l'au moins un cristal liquide est à base de pyrimidines et/ou de thiadiazoles substituées avec un ou plusieurs groupements choisis parmi les groupements alkyle, alkyloxy, phényle et oxirane, et le polymère résulte de la polymérisation du monomère 1,4-bis[4-(3-acryloyloxypropyloxy)- benzoyloxy 1-2-méthyl-benzène.

Selon un second mode de mise en oeuvre avantageux de l'invention, ledit au moins un cristal liquide est à base de (S)1-methylheptyloxybiphenylyl4-yl 4-(perfluoro-alkanoyloxyalkoxy) benzoates et/ou de (S)1methylheptyloxyphenyl 4-(perfluoroalkanoyloxyalkoxy) biphenylates, et le polymère résulte de la polymérisation du monomère 1,4-bis[4-(3acryloyloxypropyloxy)-benzoyloxy]-2-méthyl-benzène.

Préférentiellement, le matériau selon le premier mode de mise en oeuvre comprend au moins 13 % en masse de polymère, et de façon préférée entre toutes, 13 % en masse de polymère et il comprend au moins deux états adressés et un seul état sans champ électrique appliqué au matériau électro-optique confondu avec l'état stable.

Ainsi, les matériaux selon les premier et second modes de mise en oeuvre de la présente invention appartiennent respectivement aux familles des PSFLC ( polymer stabilized ferroelectric liquid crystal ) et des PSAFLC ( polymer stabilized antiferroelectric liquid cristal ).

Les PSFLC ( polymer stabilized liquid crystal ) sont, comme les PDLC, constitués par l'association de cristal liquide et de polymère mais diffèrent de ceux-ci par le fait que le polymère n'y est pas encapsulé sous forme de gouttelettes. Dans les PSFLC, cristal liquide et polymère forment un gel dans lequel la phase cristal liquide est interconnectée. Par ailleurs, dans les PSFLC, la teneur en polymère est inférieure à 15 % en masse tandis que dans les PDLC, la teneur en polymère est supérieure à 15 % en masse.

Un exemple cristal de liquide smectique ferroélectrique chiral utilisable dans le cadre de l'invention est commercialement disponible auprès de la société Avantis-Sanofi France, précédemment Hoechst, sous la dénomination commerciale Felix 015/100.

Le second de ces composés est un polymère obtenu par la polymérisation d'un monomère commercialement disponible auprès de la société Merck, France sous la dénomination commerciale RM257. Sa polymérisation est effectuée par insolation sous UV, en présence d'un photoamorceur (Irgacure 651 de la société Ciba).

Les structures PSFLC présentent des caractéristiques différentes selon le taux de polymère du mélange. Pour de fortes concentrations (supérieures à 15% en masse de polymère) c'est la structure du réseau de polymère qui agit de façon prépondérante sur les caractéristiques du cristal liquide.

Pour des concentrations en masse de polymère plus faibles (inférieures à 10%) c'est à la fois le réseau de polymère et les surfaces de la cellule qui agissent sur les propriétés du cristal liquide. En effet, les forces d'ancrage aux surfaces et celle du réseau polymérique entrent un compétition. En pratique, en outre, avec des composants standard on constate qu'avec des concentrations en masse de polymère inférieures à 10%, on obtient des réponses électro-optiques bistables.

Les valeurs pondérales préférentielles précitées de teneur en polymère permettent d'obtenir un fin compromis permettant d'obtenir un matériau présentant de bonnes propriétés (notamment le fait qu'il présente des temps de commutation (ou de réponse) inférieurs à la milliseconde, qu'il est exempt de défauts, robuste et transparent lorsqu'il est dans un état adressé) et la monostabilité dans l'état sans champ électrique appliqué.

En effet pour obtenir un PSFLC monostable dans l'état sans champ appliqué, il faut travailler avec une teneur en polymère minimum de 13%. En dessous d'une teneur en polymère de 13%, la monostabilité n'est pas garantie ou n'est pas fiable dans le temps.

De la même manière, un cycle de tension est appliqué pendant la transition de phase en température sans laquelle la monostabilité n'est pas garantie de manière systématique.

Le matériau selon la présente invention présente l'avantage de permettre la réalisation d'obturateurs optiques avec des temps de réponse (ou de commutation) faibles et donc des vitesses très élevées de passage d'un état passant à l'état bloquant (ou obturé).

Il présente aussi l'avantage de permettre la réalisation de tels obturateurs dont la couche de matériau est exempte de défauts, tout en pouvant être utilisée pour former des pupilles optiques de grandes dimensions.

Enfin, il permet la réalisation d'obturateurs optiques robustes et pouvant être utilisés sur des gammes de températures larges sur lesquelles l'état bloquant (lorsqu'aucun champ n'est appliqué au matériau électro-optique) est inchangé.

Préférentiellement, la fabrication du dispositif d'obturation comprend une étape d'alignement du ou desdits cristaux liquides.

En effet, afin d'obtenir une phase monostable du PSFLC fiable dans le temps, il est nécessaire de mettre en oeuvre, lors de la fabrication, une étape de peignage assez fort d'une couche d'alignement constituée de polymère (telle que du polyimide, ou du PVA (pour poly vinyle alcool ) ou toute autre matériau équivalent), ou un photo-alignement, ou tout autre technique qui permet d'obtenir un ancrage du PSFLC aux surfaces de la cellule elle-même. Cet ancrage vient renforcer et compléter l'effet de la chaîne polymérique et donc la fiabilité de la monostabilité du PSFLC.

Avantageusement, la fabrication du dispositif d'obturation comprend une étape d'application d'un champ électrique au matériau électro-optique pendant une phase de descente en température du matériau électro-optique.

Cette étape d'application d'un champ met en oeuvre un cycle de tension qui est appliqué pendant la transition de phase en température (descente en température).

Sans cette étape d'application d'un champ, la monostabilité n'est pas garantie de manière systématique.

Selon un premier mode de réalisation de l'invention, l'état sans champ est confondu avec un des états adressés.

Ceci correspond à une configuration du matériau dite asymétrique .

Selon un second mode de réalisation de l'invention, les états adressés sont symétriquement répartis de part et d'autre de l'état sans champ.

Ceci correspond à une configuration du matériau dite symétrique . La mise en oeuvre de cristal liquide antiferro-électrique favorise l'obtention de la configuration symétrique.

Préférentiellement, le dispositif d'obturation électro-optique comprend au moins une cellule comprenant une première et une seconde lames de matériau optiquement transparent et au moins une couche du matériau électro-optique prévue entre lesdites lames.

Les lames peuvent être revêtues d'un dépôt de matériau adéquat formant électrodes transparentes tel que par exemple de l'oxyde d'indium et d'étain (ITO). Ces électrodes permettent ainsi d'appliquer un champ électrique au matériau électrooptique à base de cristal liquide disposé entre les deux lames.

Avantageusement, le dispositif d'obturation électro-optique de l'invention comprend en outre au moins des premiers et seconds moyens de polarisation disposés de part et d'autre de la cellule.

L'épaisseur du matériau entre les lames variera en fonction de l'application dévolue à l'obturateur en question.

Préférentiellement, cette épaisseur sera comprise entre 2 m et 3 m pour la bande spectrale comprise entre 550 et 750 nm.

Par exemple, pour la réalisation de casques de soudure à l'arc, l'épaisseur de la cellule est d'environ 2 m.

Préférentiellement, pour de nombreuses applications, lesdites lames sont équipées de films spectraux limitant avantageusement la bande spectrale entre 550 nm et 750 nm. De tels films peuvent être rigides.

Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, la première et la seconde lame sont pourvues respectivement d'un premier et d'un second film polarisant formant les premiers et seconds moyens de polarisation.

Les films polarisants pouvant être souple ou rigide.

Avantageusement, les films polarisants constituent également des électrodes transparentes.

Avantageusement, les première et seconde lames présentent une surface utile minimale de 1cm2.

Préférentiellement, le dispositif d'obturation électro-optique selon l'invention équipe un casque pour la soudure, notamment la soudure à l'arc.

5. Liste des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante de deux modes de réalisation préférentiels, donnés à titre de simples exemples illustratifs et non limitatifs, et des dessins annexés, parmi lesquels: les figures lA et 1B présentent des vues schématiques symbolisant le principe de fonctionnement de deux dispositifs d'obturation électrooptique respectivement selon un premier et un second modes de réalisation de l'invention; la figure 2 présente un ensemble de points de mesure sensiblement situés sur une courbe illustrant l'évolution, en fonction de la température, de la puissance transmise par le dispositif d'obturation de la figure lA selon le premier mode de réalisation pour une puissance incidente de 100 mW; - la figure 3 présente une courbe d'un exemple de cycle temporel de tension qui peut être appliquée aux bornes de la cellule du dispositif d'obturation selon le premier mode de réalisation de l'invention; les figures 4A et 4B présentent les courbes de deux exemples de cycles temporels de tension qui peuvent être appliquées aux bornes de la cellule du dispositif d'obturation selon le second mode de réalisation de l'invention; - la figure 5 présente des courbes de l'évolution des temps de réponse (temps de monté et temps de relaxation) des PSFLCs selon les premier et second mode de réalisation de l'invention en fonction de la température.

6. Description de deux modes de réalisation de l'invention On présente, en relation avec les figures lA et lB, deux dispositifs d'obturation électro-optique 11 et 12 respectivement selon un premier et un second modes de réalisation de l'invention.

Ces dispositifs d'obturation 11, 12 équipent par exemple un casque pour la soudure à l'arc pouvant fonctionner en mode stroboscopique, ils peuvent cependant être compris dans tout autre équipement nécessitant par exemple la protection d'un matériel sensible à la lumière.

Chacun des dispositifs d'obturation 11 et 12 comprend une cellule 111 et 121 incluant deux lames de verre revêtues d'un film polarisant coupant les longueurs d'ondes inférieures à 550 nm et supérieures à 750 nm et d'un film polarisants (en matériau dichroïque).

Les paires de lames de verre des cellules 111 et 121 définissent chacune un espace accueillant une couche de PSFLC respectivement selon le premier et le second mode de réalisation de l'invention. Selon les présents modes de réalisation de l'invention, la couche de matériau électro-optique entre les lames de ces cellules est de 2 m environ.

Selon une variante (non illustrée) du second mode de réalisation de l'invention, un dispositif d'obturation est réalisé à partir d'une cellule comprenant une couche de PSAFLC constitués par un cristal liquide à base de (S)1- methylheptyloxybiphenylyl-4-yl 4-(perfluoro-al kanoyloxyalkoxy) benzoates (on pourrait également mettre en oeuvre du (S) 1-methylheptyloxyphenyl 4-(perfluoroalkanoyloxyalkoxy)biphenylates ou même un mélange de (S)1-methylheptyloxybiphenylyl-4-yl 4-(perfluoroalkanoyloxyalkoxy) benzoates et de (S)1-methylheptyloxyphenyl 4(perfluoroalkanoyloxyalkoxy)biphenylates), et du polymère obtenu par la polymérisation du monomère commercialisé sous la dénomination commerciale RM257 disponible auprès de la société MERCK France.

Conformément à l'invention, les PSFLCs des dispositifs d'obturation 11 et 12 selon les premier et second mode de réalisation sont tous les deux constitués par un mélange de cristaux liquides commercialisé sous la dénomination commerciale Felix 015/100 disponible auprès de la société Aventis-Sanofi France, précédemment Hoechst, et du polymère obtenu par la polymérisation du monomère commercialisé sous la dénomination commerciale RM257 disponible auprès de la société MERCK France.

Les cellules 111 et 121 coopèrent chacune avec une paire de polariseurs montés en polariseurs croisés et dénommés ci-après polariseur 112, 122 et analyseur 122, 123.

Aux deux modes de réalisation précités correspondent respectivement un premier et un second procédé de fabrication des cellules 111 et 121 de PSFLC. Ces procédés correspondent donc à deux configurations optiques et de protocole permettant d'exploiter l'existence d'un seul état stableferroélectrique (monostabilité).

Le procédé de fabrication de la cellule de PSAFLC selon la variante précitée est identique au second procédé de fabrication mis en ceuvre pour la cellule 121 et permet d'exploiter l'existence de l'état stable intrinsèque d'un matériau anti-ferroélectrique.

Selon le premier procédé de fabrication de la cellule 111 de PSFLC du premier mode de réalisation de l'invention, un champ électrique est appliqué à la cellule 111 lors de la descente en température après la polymérisation du monomère ce qui a pour effet de rendre la structure asymétrique.

Le PSFLC de la cellule 111 selon le premier mode de réalisation de l'invention peut prendre alors des premier et second états 1111 et 1112 adressés par un champ électrique appliqué au matériau dans la cellule 111 (sur la figure 1A, on représente chacun des états au moyen de la direction associée de l'axe optique) et un état S 1 sans champ électrique appliqué (ou adressé par un champ électrique nul) au PSFLC qui est confondu avec le premier état adressé 1111. L'état sans champ S 1 est le seul état physiquement stable (d'où le caractère monostable du PSFLC). On désignera dans la suite le PSFLC de la cellule 111 selon le premier mode de réalisation de l'invention par PSFLC monostable asymétrique.

L'angle entre les deux états adressés 1111 et 1112, ci-après désigné par angle de tilt, est d'environ 45 . Le premier état adressé 1111 correspond à un état bloquant ou obturé de l'obturateur 11 selon le premier mode de réalisation. Le second état adressé 1112 correspond à un état passant de l'obturateur 11.

Selon le second procédé de fabrication de la cellule 121 de PSFLC conforme au second mode de réalisation de l'invention, aucun champ électrique appliqué à la cellule 112 lors de la descente en température après polymérisation du monomère, ce qui a pour effet de rendre la structure symétrique.

Le PSFLC de la cellule 121 selon le second mode de réalisation de l'invention peut prendre alors des premier et second états 1211 et 1212 adressés par un champ électrique appliqué au PSFLC dans la cellule 121 (sur la figure 1B, on représente chacun des états au moyen de la direction associée de l'axe optique) et un état S2 sans champ électrique appliqué (ou adressé par un champ électrique nul) au PSFLC qui est situé sensiblement à mi-distance angulaire entre le premier état adressé 1211 et le second état adressé 1212. L'état sans champ S2 est le seul état physiquement stable (d'où le caractère monostable du PSFLC). On désignera dans la suite le PSFLC de la cellule 121 selon le second mode de réalisation de l'invention par PSFLC monostable symétrique.

L'angle entre les deux états adressés 1111 et 1112, ci-après désigné par angle de tilt, est d'environ 45 . Les premier et second états adressés 1211 et 1212 correspondent chacun à un état passant de l'obturateur 12 selon le second mode de réalisation. L'état sans champ S2 correspond à un état bloquant ou obturé de l'obturateur 12.

Lors de la mise en oeuvre du procédé de fabrication du PASFLC de la cellule selon la variante précitée, le PASFLC s'oriente naturellement sans qu'il soit nécessaire d'appliquer un champ électrique lors de la descente en température, du fait de la symétrie de la structure antiferroélectrique et l'existence d'un état stable intermédiaire.

Avec de tels dispositifs d'obturation 11 et 12, on peut obtenir des atténuations supérieures à 30dB (ce qui est imposé par les normes EN166 et EN 167) dans leur état bloquant en cascadant plusieurs telles cellules (deux cellules sont suffisantes en pratique pour obtenir 30dB).

Une point important notamment pour la sécurité est le comportement de l'atténuation d'un dispositif d'obturation dans son état bloquant en fonction de la température.

Dans le cas du PSFLC monostable asymétrique du dispositif d'obturation 11 selon le premier mode de réalisation, une variation de l'angle de tilt (entre les premier et second états adressés 1111 et 1112) suite à une variation de la température entraîne un déplacement de la position de l'état stable S1 (du fait qu'il est confondu avec le premier état adressé 1111) par rapport à l'axe du polariseur 112 (qui conserve sa direction verticale quelle que soit la température) et par conséquent réduit l'atténuation du dispositif d'obturation 11 dans son état bloquant.

Cet effet peut donc être dangereux et doit être prévenu, soit par une régulation thermique (coûteuse voire inadaptée en fonction de l'application visée) soit par un choix approprié du matériau électrooptique du dispositif d'obturation 11.

La figure 2 présente un ensemble de points de mesure sensiblement situés sur une courbe 21 illustrant l'évolution, en fonction de la température 22 (en C), de la puissance transmise 23 (en nW) par le dispositif d'obturation 11 selon le premier mode de réalisation éclairé par une LED de 1 Watt Lambertien à émission latérale blanche (référencée LXHL-PWO1 et commercialisé par la société LUXEON) fournissant une puissance incidente sur le dispositif d'obturation de 100mW.

Ainsi, avec le PSFLC monostable asymétrique du dispositif d'obturation 11 selon le premier mode de réalisation, on peut observer que l'atténuation du dispositif d'obturation 11 ne varie quasiment pas. On peut donc en déduire qu'il n'y a pratiquement pas de variation de l'angle de tilt en fonction de la température sur la plage de températures comprise entre 0 et 55 C (ce qui rend le dispositif d'obturation 11 conforme aux normes en vigueur EN 166-167).

Cependant, l'atténuation du dispositif d'obturation 11 diminue sensiblement, et donc l'angle de tilt associé varie sensiblement, à partir de 55 C.

Dans le cas du PSFLC monostable symétrique du dispositif d'obturation 12 selon le second mode de réalisation, toute variation de la température entraîne également une variation de l'angle de tilt (entre les premier et second états adressés 1211 et 1212) qui a pour effet de fermer ou d'ouvrir de manière symétrique par rapport à l'état stable S2 l'angle de tilt (on observe une fermeture de l'angle de tilt sensiblement d'un facteur 2 pour une augmentation de la température de 60 C).

Ainsi, cette variation de température n'affecte pas l'orientation de l'état stable S2 par rapport à l'axe du polariseur 122 (qui conserve sa direction verticale quelle que soit la température) et par conséquent n'affecte pas l'atténuation du dispositif d'obturation 12 dans son état bloquant.

L'atténuation, dans l'état bloquant, du dispositif d'obturation 12 selon le second mode de réalisation est donc indépendante de la température.

Il peut cependant s'avérer nécessaire de mettre en oeuvre des cristaux liquides et polymères qui permettent d'obtenir un large angle de tilt à température ambiante pour permettre de corriger, en adaptant la tension appliquée, les éventuelles variations de l'angle de tilt. Ces matériaux à larges tilts sont toutefois plus difficiles à manipuler, et étant des matériaux plus spécifiques ils sont moins disponibles sur le marché.

Les dispositifs d'obturation selon les premier et second modes de réalisation 11 et 12 donnent également lieu à deux types d'adressage électrique qui peuvent être distincts. Dans ces deux configurations de dispositif d'obturation 11 et 12, il est impératif d'éviter la composante continue d'un champ électrique appliqué sur la cellule 111 et 121 pour minimiser une éventuelle dégradation du cristal liquide du PSFLC (notamment par électrolyse). Dans le cas de la cellule selon la variante précitée, le PSAFLC permet de s'affranchir de ce dernier inconvénient.

On présente, en relation avec la figure 3, une courbe d'un exemple de cycle temporel 30 de tension qui peut être appliquée aux bornes de la cellule 111 du dispositif d'obturation 11 selon le premier mode de réalisation de l'invention (comprenant le PSFLC monostable asymétrique).

Ce cycle temporel 30 comprend une première phase 301 pendant laquelle une première tension V1 d'environ 25 V est appliquée à la cellule 111 ce qui place le dispositif d'obturation 11 dans un état passant.

Le cycle 30 comprend également une seconde phase 302 pendant laquelle une seconde tension V2 d'environ 2,5 V est appliquée à la cellule 111, ce qui place le dispositif d'obturation 11 dans l'état obturé (ou bloquant).

On présente, en relation avec les figures 4A et 4B, les courbes de deux exemples de cycles temporels 41 et 42 de tension qui peuvent être appliquées aux bornes de la cellule 121 du dispositif d'obturation 12 selon le second mode de réalisation de l'invention (comprenant le PSFLC monostable symétrique).

Le cycle temporel 41 comprend une première phase 411 pendant laquelle une première tension V1 d'environ 25 V est appliquée à la cellule 121 ce qui place le dispositif d'obturation 12 dans un état passant.

Le cycle 41 comprend également une seconde phase 412 pendant laquelle une tension nulle est appliquée à la cellule 121, ce qui place le dispositif d'obturation 12 dans l'état obturé (ou bloquant).

Le cycle 41 comprend également une troisième phase 413 pendant laquelle une seconde tension V l d'environ -25 V est appliquée à la cellule 121, ce qui place le dispositif d'obturation 12 dans un état passant.

Le cycle temporel 42 comprend une première phase 421 pendant laquelle une première tension V1 d'environ 25 V est appliquée à la cellule 121 ce qui place le dispositif d'obturation 12 dans un état passant.

Le cycle 42 comprend une seconde phase 422 pendant laquelle une seconde tension V 1 d'environ 25 V est appliquée à la cellule 121, ce qui place le dispositif d'obturation 12 dans un état passant.

Le cycle 42 comprend également une troisième phase 423 pendant laquelle une tension nulle est appliquée à la cellule 121, ce qui place le dispositif d'obturation 12 dans l'état obturé (ou bloquant).

Le cycle 42 comprend également une quatrième phase 424 pendant laquelle la seconde tension V 1 est appliquée à la cellule 121, ce qui place le dispositif d'obturation 12 dans un état passant.

Le cycle temporel 42 comprend une cinquième phase 425 pendant laquelle la première tension V1 est appliquée à la cellule 121 ce qui place le dispositif d'obturation 12 dans un état passant.

Dans le cas de la cellule à base de PSAFLC selon la variante précitée, un cycle similaire au cycle 42 peut être appliqué à la cellule, cependant, selon cette variante, la tension V1 est de l'ordre de 30V.

Ainsi deux cycles temporels 41 et 42 sont envisageables selon le temps de réponse du PSFLC pour passer d'un état adressé 1211 ou 1212 à l'état sans champ S2.

Si ce temps de réponse est suffisamment court (c'est-à-dire de l'ordre de quelques dizaines de s), on peut mettre en oeuvre le cycle temporel 41 (figure 4A). Sinon, on peut mettre en oeuvre une courte impulsion de tension de signe opposé pour accélérer le retour à l'état sans champ (figure 4B).

Les temps de réponses des dispositifs d'obturation 11 et 12 sont également des paramètres importants. Ils doivent être très courts (notamment les temps de retour à l'état bloquant) pour des raisons de sécurité et pour permettre une bonne optimisation des ratios obturation temps de soudure. C'est l'intérêt d'utiliser des smectiques par rapport aux nématiques qui pêchent par leurs temps de relaxation élevés.

Il est indispensable en outre que ces temps de commutation (ou de réponse) soient indépendants de la température (surtout les temps de relaxation du PSFLC d'un état adressé avec champ à l'état stable sans champ).

On présente, en relation avec la figure 5, les courbes de l'évolution des temps de réponse (comprenant le temps de monté 51 et le temps de relaxation 52), en!us, des PSFLCs des cellules 111 et 121 selon les premier et second mode de réalisation de l'invention en fonction de la température 53, en C.

On peut remarquer, sur cette figure 5, que le temps de relaxation 52 est nettement plus faible que le temps de monté. On peut également remarquer qu'il est quasiment indépendant de la température. Ceci est une caractéristique importante des PSFLC à base de cristaux liquides smectiques par rapport aux PSLC à base de cristaux liquides nématiques et donc parfaitement bien adaptés aux contraintes de sécurité et de fonctionnement stroboscopique requises par l'application visée.

En effet, PSLC à base de cristaux liquides nématiques ont un comportement opposé à celui des PSFLC à base de cristaux liquides smectiques. Ceci se caractérise par le fait que pour les premiers, le temps de relaxation est plus important que le temps de monté et est lié à la viscosité, liée ellemême fortement à la température.

En conséquence, les PSFLCs des cellules 111 et 121 selon les premier et second modes de réalisation de l'invention permettent d'obtenir des temps de relaxation très faibles et qui sont, de plus, indépendants de la température pour la gamme considérée en relation avec la figure 5. Ces temps permettent un fonctionnement stroboscopique amélioré autorisant notamment une plus grande liberté dans le choix des rapports cycliques du fait des temps de relaxation très courts.

On présente ci-après quelques éléments de comparaison des dispositifs d'obturation 11 et 12 des premier et second modes de réalisation de l'invention.

Le dispositif d'obturation 11 selon le premier mode de réalisation (à base du PSFLC monostable asymétrique) a l'avantage de posséder un bon contraste, par contre son état éteint peut se dégrader pour des fortes températures extérieures >50 C (hors spécifications toutefois). Ce dispositif 11 fonctionne avec des matériaux du commerce (par exemple le Felix015 de chez Hoechst).

Le dispositif d'obturation 12 selon le second mode de réalisation (à base du PSFLC monostable symétrique) ainsi que dispositif d'obturation selon la variante précitée (à base de PSAFLC) ont l'avantage d'avoir un état mémorisé qui ne dépend pas de la température. Par contre, selon ce second mode de réalisation ainsi que cette variante, les états adressés laissent passer moins de lumière (facteur 2) par rapport au dispositif d'obturation 11 selon le premier mode de réalisation. Il est cependant possible d'utiliser des cristaux liquides à grand angle de tilt afin d'augmenter la transmission. Le dispositif 12 possède d'autre part l'avantage d'avoir des états passants sur les deux polarités du champ électrique appliqué (correspondants respectivement aux tensions V1 et V l de la figure 4B) ce qui simplifie l'adressage électrique de ce dispositif d'obturation 12.

Claims (19)

REVENDICATIONS

1. Utilisation d'un matériau électro-optique, constitué par l'association d'au moins un cristal liquide smectique ferroélectrique chiral et/ou d'au moins un cristal liquide anti-ferroélectrique et d'un polymère, pour la fabrication d'un dispositif d'obturation électro-optique (11, 12), commutable, notamment selon un mode stroboscopique, entre au moins un état passant et un état bloquant, qui soit dans l'état bloquant de manière stable lorsqu'aucun champ électrique n'est appliqué au matériau électro-optique, ledit état bloquant correspondant à un unique état stable dudit matériau électro-optique.

2. Utilisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit au moins un cristal liquide est à base de pyrimidines et/ou de thiadiazoles substituées avec un ou plusieurs groupements choisi parmi les groupements alkyle, alkyloxy, phényle et oxirane, et en ce que ledit polymère résulte de la polymérisation du monomère 1,4-bis [4-(3-acryloyloxypropyloxy)benzoyloxy-2-méthyl-benzène.

3. Utilisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit au moins un cristal liquide est à base de (S)1-methylheptyloxybiphenylyl-4yl 4-(perfluoro-alkanoyloxyalkoxy) benzoates et/ou de (S)1methylheptyloxyphenyl4-(perfluoroalkanoyloxyalkoxy) biphenylates, et en ce que ledit polymère résulte de la polymérisation du monomère 1,4-bis[4(3-acryloyloxypropyloxy)-benzoyloxy]-2-méthyl-benzène.

4. Utilisation selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le matériau électro-optique comprend au moins 13% en masse dudit polymère, et en ce que le matériau électro-optique comprend au moins deux états adressés et un état sans champ électrique appliqué audit matériau électrooptique confondu avec ledit état stable.

5. Utilisation selon la revendication 4, caractérisé en ce que le matériau électro-optique comprend sensiblement 13 % en masse dudit polymère.

6. Utilisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que la fabrication dudit dispositif comprend une étape d'alignement du ou desdits cristaux liquides.

7. Utilisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que la fabrication dudit dispositif (11) comprend une étape d'application d'un champ électrique au matériau électro-optique pendant une phase de descente en température du matériau électro-optique.

8. Utilisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'état sans champ est confondu avec un des états adressés.

9. Utilisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que les états adressés sont symétriquement répartis de part et d'autre de l'état sans champ.

10. Utilisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ledit dispositif (11, 12) comprend au moins une cellule (111, 121) comprenant une première et une seconde lames de matériau optiquement transparent et au moins une couche du matériau électro-optique prévue entre lesdites lames.

11. Utilisation selon la revendication 10 caractérisé en ce que le dispositif comprend en outre au moins des premiers (112, 122) et seconds (113, 123) moyens de polarisation disposés de part et d'autre de la cellule.

12. Utilisation selon l'une quelconque des revendications 10 et 11 caractérisé en ce que l'épaisseur de ladite couche de matériau électrooptique prévue entre les deux lames est comprise entre 2!am et 3 m.

13. Utilisation selon l'une quelconque des revendications 10 à 12 caractérisé en ce que lesdites lames sont pourvues d'un film spectral.

14. Utilisation selon la revendication 13 caractérisé en ce que lesdites lames sont pourvues d'un film spectral rigide.

15. Utilisation selon l'une quelconque des revendications 13 et 14 caractérisé en ce que ledit film spectral limite la bande spectrale entre 550 nm et 750 nm.

16. Utilisation selon l'une quelconque des revendications 11 à 15 caractérisé en ce que la première et la seconde lame sont pourvues respectivement d'un premier et d'un second film polarisant formant lesdits premiers (112, 122) et seconds (113, 123) moyens de polarisation.

17. Utilisation selon la revendication 16 caractérisé en ce que lesdits films polarisants forment électrodes transparentes.

18. Utilisation selon l'une quelconque des revendications 10 à 17 caractérisé en ce que lesdites lames présentent une surface utile minimale de 1 cm2.

19. Utilisation selon l'une quelconques des revendications 10 à 18 caractérisé en ce que le dispositif (11, 12) équipe un casque pour la soudure à l'arc.