des cristaux liquides dans nos écrans

THÈME$$LES$MATÉRIAUX$
STRUCTURE$ET$PROPRIÉTÉS$DES$MATÉRIAUX$$
DES$CRISTAUX$LIQUIDES$DANS$NOS$ÉCRANS$
ASDS$$
TS&SPE$
$
$
NOM$:$ $...................................$$
PRÉNOM$:$............................$$
CLASSE$:$......................$$ DATE$:$$.............................................$$
Document)1):)Pierre/Gilles)de)Gennes,)penseur)de)la)matière)molle)
Pierre&Gilles$de$Gennes$(Fig.$1)$est$
probablement$la$personne$qui$a$le$plus$
contribué$au$développement$d'une$physique$de$
la$matière$molle$[...$],$c'est$bien$là$l'héritage$
principal&de$celui$que$le$comité$Nobel$avait$
nommé$1'«$Isaac$Newton$de$notre$,,'$.$temps})$
[...$J.$
Son$admiration$pour$le$Physicien$Lev$Landau$lui$
a$donné$le$goût$pour$la$lecture$des$revues$
!
scientifiques$russes,$et$c'est$!$dans$l'une$d'elles$
!
qu'il$pense$avoir$déniché$une$«pépite$».$Il$s'agit$d'un$article$dressant$l'état$ cristaux!liquides!vus!au!microscope!
des$connaissances$sur$les$cristaux$liquides,$état$de$la$matière$qui$combine$
des$propriétés$d'un$liquide$conventionnel$et$d'un$solide$$
cristallisé$(Figure$$ci&contre).$Un$cristal$liquide$comme$le$cholestérol$peut$ainsi$s'écouler$comme$un$$liquide,$alors$
que$les$longues$molécules$organiques$qui$le$composent$sont$toutes$orientées$dans$la$même$direction.$Il$est$
possible$de$contrôler$celle&ci$localement$en$appliquant$des$champs$électriques$ou$magnétiques,$ou$en$changeant$
la$température$du$système$Sa$capacité$à$diffuser$la$lumière$s'en$trouve$alors$modifiée$(et$c'est:$sur$ce$principe$
que$fonctionnent$les$cadrans$à$affichage$digital$ou$les$écrans$LCD*).$
Franck Daninos, « Pierre-Gilles de Gennes, penseur de la matière molle »,
La Recherche n° 415 2008,.
.. Liquid Crystal Display: affichage à cristaux liquides$
Document)2):)La)télévision)à)cristaux)liquides)LCD)(Liquid)Crystal)Display))
Il$fallut$attendre$1968$pour$que$George$Heilmeier,$alors$chercheur$au$sein$de$la$firme$américaine$RCA,$s'intéresse$
à$la$possibilité$de$modifier$l'état$des$cristaux$liquides$par$un$champ$électrique.$En$utilisant$du$biphényle$encadré$
par$des$plaques$de$verre$dotées$d'électrodes$transparentes,$il$montra$qu'on$pouvait$faire$apparaitre$des$motifs,$
correspondant$à$la$forme$des$électrodes,$en$leur$appliquant$une$tension$électrique.$Après$cinq$années$
d'optimisation,$la$société$japonaise$Seiko$fut$la$première$à$utiliser$le$procédé$pour$réaliser$l'afficheur$numérique$
d'une$montre$à$quartz,$suivie$de$près$par$la$société$Sharp$pour$une$calculatrice.$$
L’afficheur$à$cristaux$liquides$était$né,$et$son$succès$fut$immédiat.$Sa$structure,$fondée$sur$des$cristaux$liquides$
encadrés$d'électrodes$transparentes$portées$par$des$plaques$de$verre,$elles&mêmes$entourées$de$polarisants,$
reste$proche$de$celle$des$écrans$actuels.$Cependant,$il$ne$s'agissait$encore$que$d'afficheurs$numériques:$les$
électrodes$possédaient$la$forme$de$petits$segments$dont$la$disposition$assurait$l'affichage$des$chiffres$
Henri-Pierre Penelet et Renaud de la Taille,
« La télévision à cristaux liquides», La Recherche n° 417, 2008!
Document)3):)Effet)de)la)tension)
La$lumière$«$naturelle»$(non$polarisée)$peut$
être$décrite$comme$une$onde$qui$vibre$dans$
toutes$les$directions,$perpendiculairement$à$
sa$direction$de$propagation.$Une$lumière$
polarisée$ne$vibre$que$dans$une$seule$
direction.$
Ce$type$de$lumière$peut$être$obtenu$grâce$à$
un$polariseur,$ou$filtre$polarisant.$
Un$polariseur$ne$laisse$passer$la$lumière$que$
selon$une$certaine$direction$de$vibration.$
Les$cristaux$liquides$ont$la$propriété$de$faire$
varier$la$direction$de$polarisation$de$la$
lumière$selon$la$façon$dont$ils$sont$eux&
mêmes$orientés.$
Entourés$de$polariseurs,$ils$peuvent$donc$
laisser$passer$ou$non$la$lumière$
!
$
Document)3):)La)formation)des)pixels/pour)un)écran)LCD)
$Un$écran$LCD$couleur$est$constitué$de$pixels$comportant$$
chacun$3$zones$correspondant$aux$couleurs$primaires$du$
codage$$RVB.$
Chaque$zone$est$commandée$par$une$tension.$Dans$
chaque$zone,$selon$la$tension$appliquée,$les$cristaux$
liquides$laissent$passer$plus$ou$moins$la$lumière$$
Question)1)
a. Pourquoi$les$cristaux$liquides$sont&ils$nommés$ainsi?$
Les$cristaux$liquides$sont$nommés$ainsi$car$ils$combinent$les$propriétés$d’un$liquide$conventionnel$
(structure$désordonnée)$et$d’un$solide$cristallisé$(structure$ordonnée)$
b. Comment$peut&on$modifier$les$propriétés$des$cristaux$liquides?$
On$peut$modifier$les$propriétés$des$cristaux$liquides$en$appliquant$des$champs$électriques$ou$
magnétiques,$ou$en$changeant$la$température$
Question)2)
Quel$scientifique$français$a$reçu$un$prix$Nobel$pour$ses$travaux$sur$les$cristaux$liquides?$
Pierre&Gilles$de$Gennes$
Il$reçut$le$prix$Nobel$de$physique$de$1991$pour$ses$travaux$sur$les$cristaux$liquides$et$les$polymères.$
Question)3)
Donner$des$utilisations$courantes$des$cristaux$liquides$
Les$cristaux$liquides$sont$utilisés$dans$les$cadrans$à$affichage$digital$ou$les$écrans$LCD.$
Question)4)
Quelle$propriété$des$cristaux$liquides$est$modifiée$quand$ils$sont$soumis$à$une$tension$électrique$?$
Lorsqu’ils$sont$soumis$à$une$tension$électrique,$les$cristaux$liquides$adoptent$une$orientation$
particulière$modifiant$de$la$sorte$la$direction$de$polarisation$de$la$lumière$qu’ils$diffusent.$$
Question)5)
a. Sur$la$figure$4,$quel$est$le$pixel$(non$!$mais$luminophores)$le$plus$lumineux?$
Le$luminophore$$rouge$est$le$pixel$le$plus$lumineux,$car$la$polarisation$de$la$lumière$est$dans$la$
même$direction$que$celui$du$filtre$polarisant$placé$en$sortie$$
le$luminophore$bleu$est$totalement$éteint$car$la$$lumière$qui$traverse$le$cristal$liquide$est$polarisée$
dans$une$direction$perpendiculaire$à$celle$du$filtre$polarisant$placé$en$sortie$
le$luminophore$vert$est$partiellement$lumineux$car$la$lumière$qui$travers$le$cristal$liquide$est$
polarisée$dans$une$direction$oblique$par$rapport$au$$filtre$polarisant$situé$en$sortie$$
la$couleur$du$pixel$serait$donc$par$synthèse$additive$proche$d’une$couleur$orangée$$
b. Comparer$l'orientation$des$cristaux$liquides$et$l'intensité$lumineuse$transmise$
Dans$un$écran$LCD,$l’intensité$lumineuse$des$pixels$est$régulée$par$les$cristaux$liquides$qui$
s’orientent,$sous$l’action$d’une$tension$électrique,$de$telle$sorte$que$la$lumière$initialement$polarisée$
soit$en$mesure$d’éclairer$plus$ou$moins$un$filtre$coloré$($luminophore)$présent$en$sortie.$$
Si$les$cristaux$liquides$s’orientent$dans$le$sens$de$propagation$de$la$lumière,$cette$dernière$n’est$pas$
transmise.$Si$les$cristaux$liquides$s’orientent$perpendiculairement$au$sens$de$propagation$de$la$
lumière,$celle&ci$est$transmise.$
En$agissant$de$cette$façon$sur$l’orientation$des$cristaux$liquides,$on$peut$faire$varier$l’intensité$de$la$
lumière$transmise$$
On$peut$ainsi$moduler$l’intensité$de$chacun$des$luminophores$RVB$présent$dans$un$pixel$ce$qui$
permet$de$lui$donner$toutes$les$nuances$de$couleur$par$synthèse$additive$$
Conclusion)
Question)6$
a. Quelles$sont$les$particularités$des$cristaux$liquides?$
Les$particularités$des$cristaux$liquides$sont$qu’ils$s’orientent$sous$l’action$d’une$tension$électrique$
et$qu’ils$puisent$ainsi$avoir$soit$les$propriétés$d’un$liquide,$soit$les$propriétés$d’un$solide$cristallisé$
b. Quel$est$l'intérêt$d'utiliser$des$cristaux$liquides$dans$un$écran$LCD$?$
L’intérêt$d’utiliser$des$cristaux$liquides$dans$un$écran$est$que$ce$matériau$voit$ses$
propriétés$optiques$se$modifier$(la$polarisation$notamment$de$la$lumière$qu’ils$transmettent)$$en$
fonction$de$la$tension$qu’on$leur$applique$ce$qui$permet$de$réguler$l’éclairage$de$filtres$RVB$et$ainsi$
d’obtenir$pour$chacun$des$points$de$l’image$une$couleur$détérminée$
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