Après vous avoir déjà parlé des affichage électrophorétiques à encre numérique « e-ink », des écrans tactiles ainsi que de l’écran 3D de la Nintendo 3DS, voici un autre article sur un autre type d’écran.
Ce sont les afficheurs utilisés par les ardoises électroniques : plutôt que d’utiliser une craie sur une plaque en ardoise, on utilise ici un stylet ou son doigt pour écrire sur un écran LCD un peu spécial. L’affichage est persistant et le message reste indéfiniment, le tout sans alimentation ni rétroéclairage.
Ces ardoises comportent bien une petite pile : cette pile sert uniquement à l’effaçage de l’ardoise. Quand on appuie sur le bouton de l’appareil, l’écran s’efface. La pile n’étant utilisée que pour cela, et donc uniquement durant l’instant où l’on appuie dessus, l’ardoise peut être utilisée plusieurs années sans qu’il soit nécessaire de changer la pile ou de la recharger.
Le fonctionnement de ces ardoises repose sur une autre technologie des cristaux liquides : leur agencement cholestérique.
Les cristaux liquides
Les cristaux liquides sont des matériaux à la structure cristalline, donc parfaitement ordonnée, tout en étant liquide.
Parmi leurs propriétés, on trouve leur réactivité à un champ électrique : soumis à un champ électrique, les cristaux liquides se déformant en réorientant leurs molécules au sein du liquide. Un peu à l’image d’un cristal piézoélectrique, qui se déforme sous l’action d’un champ électrique, sauf qu’ici c’est en phase liquide.
Macroscopiquement, ce sont surtout les propriétés optiques du cristal liquide qui changent : le liquide peut ainsi devenir plus ou moins transparent ou changer de couleur quand on lui impose une tension électrique.
Dans un écran LCD (écran à cristaux liquides), chaque pixel est contrôlé électroniquement. L’arrière du pixel est rétro-éclairé en permanence. En l’absence de champ électrique sur le pixel, les cristaux sont désordonnés au sein de leur phase liquide et la lumière est bloquée : le pixel apparaît noir.
Si l’on active le champ électrique sur le pixel, les cristaux liquides réagissent et s’organisent différemment, leur permettant de laisser passer la lumière : le pixel apparaît blanc.
En jouant sur l’intensité du champ électrique, on contrôle la quantité de lumière qui passe. En divisant le pixel en sous pixels colorés en rouge, bleu et vert, on contrôle les quantités de rouge, de bleu et de vert et ainsi on peut produire une large palette de couleurs.
Enfin, en créant une matrice de pixels, on obtient un écran sur lequel on peut alors afficher ce que l’on veut.
Les cristaux liquides cholestériques
Les cristaux liquides « normaux » sont activables à l’aide d’un champ électrique : on peut contrôler leurs propriétés optiques. Problème : l’affichage n’est pas persistant. Si l’on coupe le champ électrique, le cristal liquide retombe dans un état « par défaut », généralement opaque.
Certains cristaux liquides dits cholestériques ou nématiques hélicoïdaux possèdent plusieurs états stables, dans lequel ils peuvent rester aussi longtemps qu’on les laisse tranquilles dans ces états.
Parmi ces différents états, on trouve la structure héméotropique : les cristaux sont arrangés de façon longitudinale et la lumière peut les traverser pour être absorbés ; et la structure conique focale : sur laquelle la lumière peut se réfléchir :
Dans le premier cas, la lumière traverse le cristal et peut ensuite être absorbé par une surface sombre. Dans le second cas, la lumière peut être réfléchie sur les différentes couches du cristal (par diffusion de Bragg, la même qui donne sa couleur métallique à une plume de paon).
L’astuce ici, c’est que ces micro-régions passent d’une structure homéotrope à une structure conique focale sous l’effet d’une pression mécanique : il suffit d’appuyer dessus pour organiser ces micro-régions dans le même sens. Cette structure ordonnée est maintenue même une fois la pression relevée.
Résultat : alors que l’écran est totalement sombre, on peut appuyer sur certains pixels pour les rendre réfléchissants.
Pour retourner à l’état homéotrope, et donc sombre, on peut appliquer une tension électrique au cristal : cristaux dans les pixels se déroulent alors immédiatement et s’alignent dans le sens du champ électrique.
Voilà donc comment on peut donc faire basculer ces pixels d’un état à un autre.
Utilisation des cristaux liquides cholestériques dans une ardoise électronique
Pour résumer la partie précédente : les cristaux cholestériques peuvent être dans deux configurations stable :
- en structure conique focale : réfléchissant la lumière et donc claire ;
- en structure homéotrope : se laissant traverser par la lumière et donc sombre
Le passage de l’état homéotrope à l’état conique focale se fait par une pression mécanique sur le cristal, et l’inverse se fait par application d’un champ électrique.
On voit ici comment peut fonctionner les ardoises électroniques : l’écran est rempli de cristaux liquides cholestérique à l’état homéotrope, et donc totalement noir.
Quand on dessine dessus, la pression du stylet suffit pour réarranger les cristaux en structure plane là où l’on a appuyé : ce sont les zones claires sur l’écran, qui correspondent au trait que l’on dessine et où les cristaux deviennent réfléchissants.
Quand on souhaite effacer l’afficheur, on appuie sur un bouton, qui va alors envoyer une impulsion électrique et faire une réinitialisation de tous les cristaux dans l’ensemble de l’écran, qui se mettent alors dans leur état homéotrope et tout noir : l’écran est effacé.
En résumé
Comme les écrans LCD, les afficheurs des ardoises magiques utilisent des cristaux liquides. Ces derniers sont des composés réactives aux champs électriques.
Généralement, la transparence des cristaux liquides est activement contrôlée pour laisser passer plus ou moins de lumière colorée sur chaque sous-pixel d’un écran et ainsi pouvoir contrôler l’imager reconstituée sur un écran entier.
Dans les ardoises magiques, la transparence, ou plutôt la réflectivité des pixels est contrôlée de façon passive : le pixel est brillant ou sombre même sans action extérieure, selon l’état microscopique dans lequel ils sont mis. Ils rejoignent ainsi les afficheurs à encre électrophorétique, ou à « encre électronique » (e-ink), qui n’ont eux non plus pas besoin d’énergie pour maintenir leur affichage dans un état spécifique.
Les ardoises possèdent ce comportement grâce aux cristaux liquides cholestériques, qui peut être brillant ou sombre selon l’état des cristaux : soit alignés (et transparents et sombres), soit tortillés (et réfléchissant, et donc brillant).
Le passage de l’état sombre à l’état brillant se fait par la pression à l’aide d’un stylet ou d’un doigt. Et l’effacement se fait avec une impulsion électrique donnée par une petite pile à l’aide d’un bouton.
Liens
Merci à @dimeao pour l’idée de l’article !
Et pour info, les ardoises numériques dont je parle sont celles-ci.
