La technologie LCD fête ses 40 ans : une histoire aussi inconnue que curieuse
La molécule 5CB nécessaire au développement des LCD fête cette année 40 ans. La découverte est due à l'écossais George Gray et à ses deux compagnons de l'Université de Hull. Nous sommes entourés de montres, calculatrices et télévisions équipées d'écrans LCD ( liquid crystal display ), une molécule qui a plus influencé notre société que toute découverte développée par les Prix Nobel des 40 dernières années. Grâce à cette molécule, cet article peut être lu sur une tablette, un téléphone ou un moniteur et une molécule est devenue une entreprise millénaire. Selon la liste Eureka UK, c'est l'une des 100 découvertes les plus importantes du Royaume-Uni qui ont changé le monde.
Cristaux liquides
Sur les cristaux liquides ont été publiés plusieurs articles en basque (A. Santamaria, Elhuyar , 1989; M. Iriarte, Berria, 2009). En résumé, le cristal liquide est un état physique entre l'état solide et le liquide. Il a la capacité de couler comme un liquide, et est capable de maintenir l'ordre, dans un ou l'autre plan, lorsque la température augmente de l'état solide au liquide. À l'état solide, toutes les molécules sont compactes dans une structure tridimensionnelle et ne bougent pas jusqu'à atteindre une température donnée. Alors, les molécules sont plus libres et commencent à bouger. Le système s'effondre et le solide se transforme en liquide mélangé. Cependant, comme la forme des cristaux est "en forme de bâton", s'ils sont chauffés, ils subissent un mouvement de rotation; malgré la perte de l'ordre des cristaux, tous restent parallèles et présentent des caractéristiques propres entre solide et liquide. Par conséquent, même si le nom fait penser le contraire, ils ne sont ni liquides ni solides.
Friedrich Reinitzer, tchèque, découvre pour la première fois les cristaux liquides en 1888. Quand il a étudié le benzoate de cholestérol, il a découvert qu'il avait deux températures de fusion. Le cholestérol solide extrait de la carotte était transformé en liquide blanc à 145,5 °C et liquide totalement transparent à 178,5 °C. Au bout d’un an, Otto Lehmann se rend compte qu’il se trouve face à un nouvel état des matériaux entre solides et liquides, et en présentant des caractéristiques tant de liquides que de solides, on l’appelle cristal liquide. Cependant, jusqu'en 1911, sa structure et ses caractéristiques n'ont pas été bien étudiées, et bien que pendant les cinq décennies suivantes, il a été étudié dans de nombreuses universités européennes, aucune application claire n'a été trouvée pour ce composé.
Découverte de cyanobiphényl
L'une d'elles était l'Université de Hull, consacrée à la recherche de cristaux liquides. En 1947, George Gray est allé faire sa thèse à Hull où il a étudié des cristaux liquides pendant plus de 40 ans. Gray et son petit groupe ont triomphé avec la synthèse d'une molécule, la 4-cyano-4´-pentildifenil (5CB). D'autres composés (carbonates ester, stylos, etc.) ont été synthétisés précédemment. et ont été testés sur les écrans, mais n'ont pas réussi. Souvent, pour obtenir de nouvelles molécules, de nouveaux groupes sont ajoutés à des molécules connues. Dans ce cas, il a été décidé d'éliminer les groupes fonctionnels des molécules initiales, c'est-à-dire de simplifier les molécules. Contrairement à d'autres molécules similaires utilisées en LCD jusqu'en 1972, la molécule 5CB était stable entre 22 et 35 °C. Ceci était indispensable pour pouvoir l'utiliser à température ambiante. Il est évident, cependant, que la plage de température de 22-35ºC ne suffit pas pour utiliser les LCD dans la plupart des applications, de sorte que la molécule 5CB a été mélangée avec d'autres molécules pour obtenir la molécule E7. Cette molécule pouvait être utilisée à des intervalles de température beaucoup plus élevés. La découverte de 5CB et E7 a été publié en 1973 dans un article qui est devenu un classique. La demande de cette molécule était énorme et le groupe de cristaux liquides de Hull n'a pas été en mesure de répondre à cette demande. Ainsi, la société BDH avec laquelle elle collaborait, Merck aujourd'hui, a obtenu le contrat de vente de cette molécule.
Comme beaucoup d'autres découvertes, le chemin vers la synthèse de cette molécule a été difficile, surtout en raison du faible financement de ce champ de cristaux liquides sans apparentes applications claires. Et pour que la recherche sur les cristaux liquides hors d'un sujet curieux et peu important, et arrivait à cet ubiquité qu'il a aujourd'hui, il y avait deux clés: la nécessité de faire de nouveaux types d'écrans et les soupçons d'un étrange ministre britannique de l'époque.
Le ministre de la Technologie, John Stonehouse, voulait développer une nouvelle technologie pour construire des écrans plats de couleurs qui remplacent les télévisions avec des tubes à rayons cathodiques d'alors (CRT en anglais). Une fois, le directeur du Radar Research Establishment (RRE) a reconnu que le montant que le Royaume-Uni payait aux USA. pour les royalties de ce type de télévision était supérieur à celui qu'il investit dans le développement du Concerto. Le lendemain de son audience, tôt le matin, sans perdre de temps, le ministre a lancé un nouveau programme de remplacement du CRT. En 1968, un groupe de militaires et de scientifiques a été mis en place pour développer ces nouveaux écrans plats dès que possible. Ce groupe a proposé des technologies et des domaines de recherche tels que la technologie des cristaux liquides.
La première réunion de l'équipe de cristaux liquides a réuni 27 experts du Royaume-Uni, ainsi que plusieurs généraux et amiraux. Après plusieurs débats, le prestigieux physicien Cyril Hilsum a demandé à ses compagnons de parler des cristaux liquides : Pourquoi la lumière produit-elle, après avoir traversé un échantillon de cristaux liquides, cette structure particulière qu'ils voyaient dans le projecteur? Personne ne savait répondre et, après un long et honteux silence, une voix répondit des dernières chaises de classe: "Je peux aider." Inutile de dire que cette voix était de George Gray et, juste après cette réunion, il a obtenu un contrat pour développer un cristal liquide stable à température ambiante.
Gray a écrit le premier manuel en anglais sur les cristaux liquides, mais il n'était pas très populaire parmi les chimistes de l'époque. Ainsi, de nouveaux cristaux liquides ont été développés, qui ont été brevetés et publiés en 1973. Un an plus tard, les premiers écrans LCD de 5CB étaient déjà sur le marché, et dans les années à venir, Gray a synthétisé la molécule faisant partie de plus de 90% des montres numériques, calculatrices et réveils avec LCD du monde entier.
Les prédictions du ministre Stonehouse ont été fondamentales dans la prédiction de l'importance des cristaux liquides, mais sa vie personnelle ultérieure et les affaires ont chuté. Dès que les LCD sont commercialisés pour la première fois, leurs vêtements sont apparus sur une plage de Floride, mais aucun corps n'a été trouvé. Il a falsifié sa mort et a voyagé avec son amant en Australie. Là, il s'est mêlé à l'aristocrate meurtrier Lord Lucan et a été arrêté. En outre, il a été connu que pendant plus de dix ans depuis 1960, au début de la technologie LCD, il a travaillé comme espion de gouvernement en Tchécoslovaquie.
Université et brevets de Hull
Gray a obtenu les cristaux liquides les plus importants dans Hull, mais ni le chimiste ni l'université n'ont été enrichis du tout. Qu'est-il arrivé à tout l'argent obtenu par des brevets au moment de la commercialisation des LCD? Le financement du projet est sorti du ministère de la Défense, qui a reçu une bonne part pour payer les royalties sur les télévisions avec des tubes à rayons cathodiques. En même temps, l'Université de Hull, comme d'autres universités, ne pensait pas que le brevet et la propriété intellectuelle lui correspondaient, et il consacra seulement un peu d'argent à l'équipe de recherche de Gray pour que le ministère de la Défense continue à financer l'équipe de recherche de cristaux liquides jusqu'à ce que le délai de brevets soit épuisé. À cette époque, les LCD ont été brevetés par la société suisse Hoffman-LaRoche, et les principaux avantages obtenus par l'Université de Hull étaient les articles publiés et la reconnaissance internationale. Pourquoi l'Université de Hull n'a pas breveté cette nouvelle molécule, a soutenu sa découverte et l'a transformée en université la plus riche au monde ? Plus riche que Harvard, Oxford ou tout autre ? Cette question reste vivante, surtout parce que de nombreuses universités actuelles, comme l'Université du Pays Basque, brevetent des produits et disposent d'un bureau pour cela.
La complexité de ces questions rend nécessaire de prendre en compte certaines considérations:
· La plupart des découvertes faites par les universités sont réalisées avec un financement public, c’est-à-dire avec de l’argent des contribuables, et il ne nous serait pas facile de le comprendre si tout cela finissait dans les poches des entreprises privées.
· Les universités préféreraient que les recherches de leurs chercheurs aient une application directe et soient commercialisées. Ainsi, ce qu'ils font aurait une plus grande reconnaissance sociale.
· Les universités cherchent à encourager leurs camarades à participer à de grandes découvertes.
· Les entreprises cherchent souvent à travailler avec les universités pour les aider à développer leurs produits en finançant de nombreux projets.
Tous ces intérêts sont souvent contradictoires et ne sont pas facilement canalisables. Peut-être, lors de la protection de la molécule E7, non seulement cela, mais d'autres choses qui n'ont pas été comptées. Ainsi, dans cette histoire, les Britanniques sont les plus critiques. La découverte de Gray pourrait laisser des milliards de bénéfices au Royaume-Uni, par exemple si la société allemande Merck (BDH d'alors) n'avait pas acheté pour 60 millions de livres. Même si cela semblait incroyable dans l'activité des LCD, il n'y avait aucune entreprise au Royaume-Uni ou en Europe dédiée à la fabrication d'écrans. Cependant, Gray n'a pas été très inquiet et, bien qu'il ne soit pas en Europe, l'exploitation de la découverte au Japon et en Extrême-Orient a été très satisfaisante. Pour Gray, sa découverte a eu trois conséquences principales:
· Lancement de nouveaux cyanobiphényles.
· Poursuivre le financement de l’équipe de recherche par le ministère de la Défense.
· Passer de trois au groupe Hull à plus de 20. De plus, comme l'ont maintenu des chercheurs de haut niveau comme John Goodby et Stephen Kelly, que j'ai rencontrés à Hull, l'équipe de cristaux liquides de Hull reste l'un des groupes les plus importants au monde. Goodby a publié plus de 400 articles et Kelly est l'un des trois produits chimiques qui ont synthétisé plus de 3000 cristaux liquides différents (détient 75 brevets).
George Gray a remporté de nombreux prix tout au long de sa vie, parmi lesquels: En 1979, le Queen´s Award reçu en matière technologique et sans doute le plus important, le Prix Kyoto de 1995, équivalent japonais des Prix Nobel décerné par la Fondation Inamori. Dans son intervention à l’acte, il a réfléchi sur la recherche réalisée tout au long de sa vie:
· Le succès et la commercialisation rapide sont dus au développement de ce type de matériaux à un moment donné. Deux ans plus tôt, ils ne seraient pas nécessaires et deux ans plus tard, d'autres chercheurs proposeraient de nouveaux matériaux.
· La synthèse de ces cyanobiphényles a eu lieu en 1972, et ils étaient vendus un peu plus d’un an plus tard. Souvent record! Et ce record n'aurait pas été possible sans la collaboration étroite entre l'université et la société BDH Ltd.
· Pour obtenir les réalisations à ce niveau, en plus du dur jour le jour, la formation et l’éducation préalable sont indispensables. En outre, il faut un peu de chance et il ne faut pas s'éloigner des opportunités.
L'histoire des LCD est une histoire de travail acharné dans laquelle les désespoir ont été multiples, mais elle a surtout été le fruit de la concurrence et de la collaboration entre l'Europe, les USA et le Japon. Chaque zone industrielle a contribué différemment et avec sagesse: Les États-Unis ont mis sur la table les idées et la viabilité de la technologie, l'Europe la synthèse de la science de base et les matériaux nécessaires, et le Japon la mise en œuvre circulaire du processus et la production en série de LCD. Ainsi, les cristaux liquides, qui au cours des 80 ans n'ont fait que curiosité, et la technologie qui les entoure, ont créé au cours des 40 prochaines années une industrie de 50 milliards de dollars. L'année dernière, 750 millions de produits LCD ont été vendus, et aujourd'hui, il y a plus d'outils LCD que le nombre de personnes vivant dans le monde.
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