Cristal liquide - Définition

Applications

L'application la plus connue des cristaux liquides est l'Afficheur à Cristaux Liquides (ACL) aussi connu dans le commerce sous le sigle anglais « LCD » (Liquid Crystal Display). L'affichage à cristaux liquides utilise les propriétés des nématiques. La propriété du changement de couleur par rapport à l'angle d'observation a aussi été utilisée dans les billets de banque, sur certains logos, ou certaines peintures décoratives.

Les cristaux liquides cholestériques dont les propriétés optiques dépendent fortement de la température peuvent être utilisés comme thermomètre. D'autres changeant de couleur selon la contrainte fournissent des indicateurs de tension ou de pression.

Afficheurs à cristaux liquides

Écran à cristaux liquides :

1. Filtre de polarisation (vertical)
2. Verre avec électrodes correspondant au filtre vertical
3. Cristaux liquides
4. Verre avec électrodes correspondant au filtre horizontal
5. Filtre horizontal pour bloquer/laisser passer la lumière
6. Surface réfléchissante

Le fonctionnement des écrans à cristaux liquides (afficheur à nématiques twistés) dépend fondamentalement de la propriété de polarisation de la lumière. La lumière est composée de particules appelées photons. Pendant leur voyage, les photons vibrent dans un plan perpendiculaire à leur direction. Pour une lumière non-polarisée, la direction de vibration est aléatoire à l'intérieur du plan.

Certains processus affectent la direction de vibration : à l'interface entre deux milieux, la lumière réfléchie est plus fortement polarisée dans la direction parallèle à la surface que dans la direction perpendiculaire. Cette lumière est partiellement polarisée. Certains matériaux, à l'instar des filtres de polarisation, absorbent les composantes d'une certaine direction et laissent passer les composantes suivant une direction perpendiculaire. Ainsi, deux filtres placés l'un derrière l'autre et polarisant la lumière dans des directions perpendiculaires ne la laissent plus passer. La cellule de base d'un afficheur à cristaux liquides est constituée de deux filtres polarisant croisés enfermant un cristal liquide (épaisseur typique de 10 µm). Si les molécules sont perpendiculaires aux plans des polariseurs (dans la direction de la lumière), elles n'ont pas d'influence sur l'état de polarisation, la lumière n'est pas transmise, et la cellule apparaît noire. Si les molécules sont parallèles aux plans des polariseurs (donc dans le plan de polarisation de la lumière), l'état de polarisation est modifié.

Les surfaces des polariseurs sont traitées de manière que les molécules du nématique s'orientent dans la direction de polarisation, on parle « d'ancrage ». D'un bord à l'autre de la cellule, une contrainte de torsion s'exerce sur le cristal liquide « Twisted nematic ». La lumière est alors transmise d'un bord à l'autre de la cellule, sa direction de polarisation tournant en même temps que le nématique (configuration en hélice). La cellule est transparente.

Les molécules du nématique étant sensibles au champ électrique, une différence de potentiel appliquée entre les deux polariseurs permet de les orienter parallèlement au champ (sauf à la surface où les molécules sont accrochées à celle-ci). Nous sommes alors dans le cas où la lumière ne passe pas à travers la cellule. Lorsque le champ diminue, arrive la transition où les molécules reprennent leur état torsadé (la lumière passe à nouveau). À partir de cet interrupteur de lumière, la couleur peut être générée en utilisant des filtres colorés.

Les détecteurs de température et de pression

La variation de l'angle de torsion de l'hélice du cholestérique en fonction de la température est utilisée par le thermomètre frontal à affichage digital. Le pas de l'hélice est en effet sensible aux variations de température et de pression et la variation du pas induit un changement de couleur. Ces transitions sont réversibles grâce à l'élasticité du cristal liquide.Pour la plupart des cholestériques, une élévation de température correspond à une diminution du pas de l’hélice et inversement, ce qui entraîne une variation de couleur lorsque ce pas est de l’ordre des longueurs d’onde visibles. Il est donc possible d’avoir accès à une visualisation directe du gradient de température au sein d’un matériau. Ces molécules sont appelés thermochromes.

Il existe de nombreuses techniques d'exploitation des cristaux liquides pour la thermographie. La méthode la plus utilisée est la microencapsulation de la substance dans des capsules (10 à 20 µm de diamètre) de polymères transparents, ceci pour protéger les cristaux liquides de la contamination. Ces microbilles sont ensuite soit vaporisées contre la surface à analyser, soit étendues sur une feuille de polymère qui est elle-même mise en contact avec le matériau. On obtient donc une carte instantanée en température avec une constante de temps minimale de l’ordre de 0,1 s. Par contre, ce comportement est lié à l’existence de la phase mésomorphe, ce qui limite la plage d’utilisation (-30 à 200 °C actuellement).

Domaine médical

Le domaine le plus ancien d’utilisation des cholestériques comme détecteurs de température est le domaine médical. On cherche en général à obtenir une cartographie des températures de la peau pour déceler des anomalies. Il est par exemple possible de détecter des tumeurs, celles-ci entraînant une élévation de température qui est fonction de leur taille, profondeur, nature^,. Ces cholestériques étaient beaucoup utilisés pour la surveillance clinique, ils permettaient par exemple la détection de cancers précoces du sein non visibles par radiographie ou la surveillance de la température de la cornée par l'intermédiaire de lentilles de contact recouvertes de cholestériques ou encore des timbres cholestériques collés en permanence sur un malade pour détecter l’apparition d’un état de fébrilité.

La couleur de la phase dépend aussi de la pression appliquée. Cette propriété trouve son application dans le domaine médical notamment. Par exemple, il est possible de corriger une mauvaise posture en analysant le gradient de couleur qui est fonction de la pression du pied sur le support contenant des microcapsules de phases cholestériques.

Domaine industriel

Des applications aux contrôles thermiques sont aussi possibles par des cartographies isothermes qui permettent de mettre en évidence des défauts de structure. On peut ainsi contrôler la qualité d’un collage en chauffant de façon homogène une des faces à contrôler. S’il existe un défaut, celui-ci sera détecté par un retard de propagation de la chaleur sur l’autre face recouverte d’un film cholestérique. Il est aussi par exemple possible de contrôler le bon fonctionnement et les échanges de chaleur des composants électroniques en repérant les points chauds sur un film cholestérique déposé sur un circuit électronique.

Si les microcapsules de substances cholestériques sont compatibles avec le fluide, elles peuvent servir de traceurs pour visualiser un écoulement et ses températures. Elles donnent en général des informations sur le champ de température et celui des vitesses. On peut ainsi étudier les isothermes dans l’eau pendant la phase de congélation.

Les vitrages

Vitrage sous-tension.

Vitrage en absence de tension.

Ce sont des vitrages prenant en sandwich une couche de cristal liquide nématique sous forme de gouttelettes immobilisées dans un polymère entre deux plaques de verre recouvertes d'une couche métallique fine pour constituer un condensateur. Ce vitrage passe d'un état laiteux (comme une vitre dépolie), en l'absence de tension, à un état transparent (comme une vitre ordinaire) sous tension.

La cagoule pour soudure à l'arc

L'une des plus récentes applications apporte un grand confort aux soudeurs à l'arc : l'assombrissement est réalisé de manière automatique par détection du niveau lumineux, en moins d'une milliseconde.