Cristaux liquides pour le verre intelligent

Grâce à la stabilisation du cristal liquide dans une matrice polymère et à l'utilisation de procédés de production de laminage en continu, ces technologies - appelées génériquement "Polymer Dispersed Liquid Crystals" (PDLC) se prêtent à des applications de cristaux liquides dans des dispositifs ayant une plus grande surface et sous forme de films flexibles. Les références de la technologie de base qu'Innoptec^® Srl a développée en Italie au niveau industriel et commercial à partir de l'année 2000 sont présentées dans cette section.

Que sont les cristaux liquides ?
En règle générale, les matériaux utilisés dans les "Liquid Crystal Display" (LCD) et dans les PDLC sont des substances organiques à structure moléculaire rigide et de forme allongée. La caractéristique fondamentale qui distingue l'état de cristal liquide consiste dans le fait que les molécules ont tendance à s'orienter parallèlement les unes aux autres par rapport à l'axe long, bien que se comportant comme un fluide au niveau macroscopique, présentant un ordre intrinsèque se situant à mi-chemin entre l'état cristallin (ordre tridimensionnel) et l'état liquide (aucun ordre, isotropie totale). Voir la figure 1 pour une démonstration simple du comportement d'un cristal liquide.

L'anisotropie de la structure moléculaire est à l'origine de l'anisotropie des interactions moléculaires (échelle nanométrique) qui se transmet au niveau macromoléculaire (échelle micrométrique), avec la création d'une série d'effets intéressants tels que la biréfringence ou la possibilité d'aligner les molécules avec des champs électromagnétiques externes même de faible intensité, ou encore l'exploitation des interactions de surface (interactions des molécules de cristaux liquides avec les surfaces de matériaux convenablement traités).

Qu'est-ce qu'un PDLC ?
Au cours de la première moitié des années 80, aux Etats-Unis, la recherche industrielle due à l'inventivité de James L Fergason (150 brevets) et la recherche universitaire à la Kent State University et en Italie à l'Université de Calabre ont abouti à la conclusion commune que pour surmonter les problèmes existants liés à la production de systèmes LCD conventionnels à faible coût et pour étendre les applications de la technologie des couches minces, les cristaux liquides (CL) peuvent être contenus (stabilisés) par une matrice polymère. Les résultats de ces recherches, présentés dans des brevets et des publications, attribuent aux systèmes stabilisés le nom général de PDLC.

En général, les systèmes stabilisés couvrent une vaste gamme de compositions entre cristaux liquides et polymère. Les compositions à faible teneur en CL (jusqu'à environ 30%) sont monophasiques, tandis que celles à teneur plus élevée (entre environ 30% et 80%) sont biphasiques. Ces dernières sont les microstructures qui se prêtent aux applications électroniques pratiques. Un schéma préliminaire est présenté à la figure 2.

Ainsi, la séparation de phase entre les deux composants a lieu dans un mélange contenant environ 30 à 70% de cristal liquide, avec la formation d'une dispersion de phase "discontinue" de gouttelettes microscopiques de cristal liquide dans la phase "continue" de la matrice polymère. Les formes, les dimensions et la distribution des gouttelettes microscopiques dépendent de nombreux paramètres physico-chimiques et du procédé de séparation de phases utilisé. La figure 3 montre la structure, la morphologie et le fonctionnement électro-optique d'un composé PDLC classique.

À l'état OFF, les micro-gouttelettes de LC ont une orientation aléatoire, ce qui entraîne la dispersion de la lumière à l'intérieur du film PDLC, qui apparaît donc opaque. Les performances électro-optiques d'un PDLC sont mises en évidence lorsqu'on soumet le film à une différence de potentiel croissante ΔV en courant alternatif ; lorsque ΔV atteint une certaine valeur seuil d'environ 60 volts (état ON), le film devient transparent en raison de l'effet de l'orientation du LC dans la direction du champ électrique, avec un rapprochement ou une coïncidence conséquente des indices de réfraction du LC et du polymère. La tension appliquée est généralement fournie par un courant alternatif (50-1000 Hz).

Habituellement, les temps de réponse des PDLC, tant au niveau du temps de montée que du temps de descente, varient entre 10 et 50 millisecondes. Ces paramètres électro-optiques d'un PDLC sont résumés dans la figure 4.

Matériaux utilisés dans le PDLCDans cette section, nous présentons un bref aperçu des structures et des types de matériaux et de milieux utilisés pour fabriquer des dispositifs PDLC avec des méthodes basées sur la séparation de phases. On trouve sur le marché un large assortiment de cristaux liquides, de pré-polymères, de liants et de milieux conducteurs. Le choix des matériaux peut affecter de manière significative la morphologie finale, tout autant que la technique de préparation utilisée.

> Cristaux liquides
Les plus gros problèmes rencontrés dans le développement de ces matériaux sont représentés non seulement par leur stabilité (humidité, température, rayonnement ultraviolet) mais aussi par le fait que pour faire fonctionner correctement un dispositif, ces composés doivent présenter des valeurs spécifiques et certaines pour des paramètres, tels que la réponse électro-optique, la viscosité, la pureté, et autres.
Comme il est difficile de trouver la somme de toutes ces propriétés dans un seul composé, des mélanges contenant de 4 à 10 composants mésogènes différents sont normalement utilisés dans les dispositifs traditionnels et PDLC. 
Dans tous les cas, le choix du type de cristaux liquides à utiliser dépend également de facteurs tels que la solubilité dans la phase polymère, la technique de séparation de phase prévue et les performances finales exigées du dispositif.

> La matrice polymère
La matrice solide des dispositifs PDLC est obtenue par polymérisation d'un monomère, d'un oligomère ou d'un pré-polymère (PIPS) par évaporation d'un solvant (SIPS) ou par refroidissement d'un mélange polymère/liquide cristallin (TIPS). Dans la méthode PIPS, la cinétique de polymérisation est régie à la fois par des réactions radicalaires (UV-PIPS) et par étapes (TS-PIPS). Les résines synthétiques disponibles sur le marché, telles que l'époxy, le vinyle, l'acrylique, le polyuréthane et bien d'autres, sont utilisées à ces fins.
Il ne faut pas oublier que les propriétés de la matrice polymère, telles que l'indice et la réfraction, la constante diélectrique et les propriétés mécaniques, sont déterminantes pour la formation et les performances des dispositifs. D'une manière générale, les polymères utilisés sont classés, selon la méthode de préparation, en thermodurcissables, durcissables par UV et thermoplastiques.

> Supports conducteurs
Les films PDLC sont préparés sur des substrats en verre ou en plastique recouverts d'une fine couche conductrice, généralement de 300 à 500 nm, d'oxyde d'indium et d'étain (ITO) déposée par pulvérisation. Le principal avantage de l'ITO par rapport aux autres revêtements métalliques réside dans sa transparence et sa stabilité chimique. Le type et les caractéristiques du revêtement et du support dépendent de l'utilisation pour laquelle le dispositif électro-optique est conçu. Les systèmes ITO-verre sont surtout utilisés dans les écrans et pour la préparation d'échantillons de laboratoire de dimensions centimétriques, tandis que les systèmes ITO-plastique (principalement PET, polyéthylène téréphtalate) sont surtout utilisés pour la préparation industrielle, avec des systèmes roll-to-roll, de fenêtres et d'écrans de plusieurs mètres carrés. Les différences de comportement optique, thermique ou mécanique entre les supports en verre et en plastique finissent naturellement par affecter les performances finales du dispositif. 

Les applications de ce film sont nombreuses, cliquez ICI pour en savoir plus.