Une découverte tordue

Martin Schadt

Lauréat du prix d'inventeur européen 2013 dans la categorie ensemble de la carrière

Martin Schadt, inventeur de l’écran à cristaux liquides (LCD)

 Derrières les couleurs vives et les images saisissantes des écrans de télévision plats des téléviseurs d'aujourd'hui se cache un principe scientifique à une époque considéré avec incrédulité - un phénomène tout simplement impensable. C'est ce que nous appelons aujourd'hui le pixel, et c'est le fruit de toute une vie de travail mené par Martin Schadt, scientifique suisse qui a aidé, quasiment à lui seul, au développement des cristaux liquides. Cette substance unique, ni solide ni liquide, s'est avéré avoir un impact considérable sur l'industrie de l'électronique.

Écrans plats, bénéfices confortables

Martin Schadt

Chaque année qui passe semble apporter des écrans de téléviseur toujours plus grands et toujours plus minces, avec des couleurs toujours plus brillantes. Les écrans plats et leurs milliers de pixels minuscules ont remplacé les gros téléviseurs autrefois omniprésents dans le salon des familles de la classe moyenne.

Ces écrans, plus communément connus sous le nom d'écrans à cristaux liquides, ont changé pour toujours notre manière de regarder et d'apprécier les films. L'entrée des LCD parmi les produits de grande consommation a donné naissance à une industrie qui a généré environ 100 milliards de dollars de bénéfice dans le monde en 2012.

Derrière ces gadgets de pointe se cache l'innovation menée par un homme, un scientifique suisse doté d'un don pour l'expérimentation depuis son adolescence dans le village rural de Liestal, non loin de Bâle.

« Je suis un homme très curieux et cela m’intéresse de savoir comment fonctionnent les choses : c’est pour cette raison que j’ai étudié la physique »

Curiosité chimique

Dès l'âge de 16 ans, utilisant des pièces récupérées sur de transistors radio, le jeune Martin Schadt avait pour hobby d'assembler des transmetteurs à ondes courtes rudimentaires et de perturber la réception locale des stations radio, au grand agacement de ses voisins.

Entrer à l'université n'était pas une perspective courante pour les habitants de la Suisse rurale des années 1950. Le jeune Martin Schadt a donc satisfait sa curiosité scientifique au cours d'un apprentissage de quatre ans comme électricien à Bâle, avant de suivre des cours du soir et de présenter une maîtrise de physique expérimentale.

« Je suis un homme très curieux et cela m'intéresse de savoir comment fonctionnent les choses : c'est pour cette raison que j'ai étudié la physique », déclare Schadt.

Finalement, Schadt en est venu à s'intéresser à l'étude des semi-conducteurs organiques, domaine expérimental extrêmement complexe, qui a satisfait son appétit de recherche empirique, d'expérimentation et d'étude éveillé en lui depuis l'enfance.

« Je me suis toujours intéressé à la recherche transdisciplinaire... Elle offre tellement plus d'opportunités de nouvelles inventions », souligne Schadt.

L’obtention d’un brevet pour la nématique en hélice s’avéra houleuse, et Schadt apprit à cette occasion à quel point il peut être difficile de sécuriser les droits de propriété intellectuelle d'idées neuves.

Des découvertes solides

Après avoir soutenu sa thèse en 1967 et suivi un programme postdoctoral au sein du conseil national de recherches à Ottawa, au Canada, il a rejoint l'entreprise suisse Omega, fabricant de montres, en 1970, pour participer au développement de normes du temps atomique.

C'est ensuite qu'il a découvert l'existence d'un projet de recherche au sein du laboratoire pharmaceutique F. Hoffmann-La Roche à Bâle, qui portait sur les cristaux liquides. Les cristaux liquides sont des substances dont la structure moléculaire n'est ni totalement alignée (comme celle d'un solide), ni totalement désorganisée (comme celle d'un liquide).

Ce projet associait la physique, l'électro-optique et les matériaux organiques - une combinaison parfaite pour un homme dont les centres d'intérêt scientifique couvrent plusieurs disciplines. Schadt s'est rapidement révélé un innovateur doué dans le domaine.

C'est lorsqu'il a commencé à tester l'idée de l'un de ses collègues, Wolfgang Helfrich, qui avait émis l'hypothèse que l'axe hélicoïdal long de la molécule d'un cristal liquide pouvait être « déroulé » et ainsi produire un changement optique, que Schadt a franchi une étape décisive.

« C'est Helfrich qui a eu l'idée, c'est moi qui ai conçu et mené les expériences... », déclare Schadt. « Nous avons très rapidement développé de nouveaux cristaux liquides capables de réaliser cet effet de polarisation ».

Une innovation « stupéfiante »

Schadt et son équipe ont remarqué que la structure en spirale de la molécule, lorsqu'on lui appliquait de l'électricité, se déroulait en partie, bloquant la lumière et donnant au cristal un aspect opaque.

En prenant en sandwich une couche de cristaux liquides entre deux plaques de plastique, Schadt découvrit qu'il pouvait utiliser les cristaux liquides opaques pour créer des formes visibles, comme les chiffres sombres présents sur les écrans de nos calculatrices d'aujourd'hui.

« Au terme de ma thèse, j'étais un peu frustré », se rappelle Schadt.  « Je ne pensais pas qu'il serait possible d'utiliser cette technologie pour fabriquer des écrans fonctionnant à des niveaux de tension faibles ».

Pourtant, Schadt devait finalement découvrir qu'il n'était pas nécessaire que le champ électrique déroule entièrement l'hélice du cristal liquide et que quelques volts suffisaient pour interrompre la transmission de la lumière :

 il était donc possible de faire fonctionner les LCD à l'aide de piles ordinaires, ce qui augmentait leur utilité et élargissait considérablement leur domaine d'application.

« C’est Helfrich qui a eu l’idée, c’est moi qui ai conçu et mené les expériences… ». […] Nous avons très rapidement développé de nouveaux cristaux liquides capables de réaliser cet effet de polarisation ».

Une invention qui roule

Sa découverte fut baptisée nématique en hélice et changea la donne dans l'industrie électronique, en particulier parce qu'elle permettait l'amélioration radicale que nous observons aujourd'hui sur nos écrans de télévision.

Grâce à l'innovation de Schadt, Roche a pu devenir un fournisseur majeur de cristaux liquides pour l'industrie des LCD, dont les bénéfices annuels sont aujourd'hui d'environ 100 milliards de dollars.

Jusqu'à 1994, Roche était le principal fournisseur de technologie au monde pour les producteurs de LCD.

Le modèle d'entreprise de Roche était centré sur la production de matériaux destinés aux prototypes puis sur l'autorisation d'exploitation des brevets par ses clients, les gros fabricants de LCD et de film optique.

Course contre la montre

Cependant, l'obtention d'un brevet pour la nématique en hélice s'avéra houleuse, et Schadt apprit à cette occasion à quel point il peut être difficile de sécuriser les droits de propriété intellectuelle d'idées neuves lorsqu'on ne dispose pas de ressources significatives.

Pendant que Schadt travaillait au sein de Roche sur ces cristaux liquides, un chercheur de l'Université de Kent, Ohio, lui a rendu visite.

Cet homme, lui-même expert en la matière, comprit très vite le potentiel commercial de la découverte de Schadt et rapporta ce qu'il avait vu à une entreprise similaire, aux États-Unis.

Après avoir découvert la fuite, Schadt et Roche se sont empressés de déposer un brevet, seulement deux semaines plus tard, le 4 décembre 1970. De son côté, le chercheur américain travaillant pour cette entreprise aux États-Unis déposait aussi une demande pour la même invention dans son pays, quelques mois seulement après sa rencontre avec Schadt.

Heureusement pour Schadt, l'entreprise américaine impliquée connaissait alors quelques problèmes financiers et a finalement été contrainte de vendre son brevet américain - en l'occurrence à Roche, qui a pour l'occasion recruté une armée d'experts juridiques et scientifiques et de spécialistes du droit du brevet, de Bâle au bureau fédéral américain des brevets à Washington, D.C.

Tout au long de sa remarquable carrière, Schadt a été lauréat de nombreux prix. Il détient aujourd’hui plus de 110 brevets, tous déposés dans au moins 10 pays.

Puissants pixels

En 2012, les géants de l'électronique tels que Sharp, Sony, Panasonic et Philips ont fabriqué plus de 40 millions de téléviseurs LCD grâce à la technologie de Schadt, des téléviseurs qui ont atterri chez les consommateurs et ont changé pour toujours la décoration du salon de millions de familles de classe moyenne.

Quant à Schadt, il est resté à la barre du service de recherche de Roche sur les cristaux liquides jusqu'à 1994, année où le service s'est séparé de l'entreprise mère pour devenir Rolic Ltd. En 2010, Rolic a équipé près de 15 millions d'écrans LCD au monde.

Schadt est resté PDG et membre du CA de Rolic jusqu'à sa retraite, en octobre 2002. Tout au long de sa remarquable carrière, Schadt a été lauréat de nombreux prix.  Il détient aujourd'hui plus de 110 brevets, tous déposés dans au moins 10 pays. Il est l'auteur de 174 articles scientifiques et de quatre chapitres de livres.

À 74 ans, Schadt continue à conseiller activement des organismes de recherche et des agences gouvernementales. Cependant, son héritage résidera à jamais dans les minuscules pixels des écrans plats des téléviseurs, des ordinateurs ou des appareils photo numériques - très loin des radios amateurs de sa jeunesse


Comment ça marche ?

Les cristaux liquides représentent un état de la matière qui n'est ni liquide, ni solide. Il est possible de manipuler leurs molécules grâce à l'électricité et de modifier la manière dont celles-ci transmettent la lumière polarisée, les faisant ainsi apparaître alternativement transparentes ou opaques.

Tous les dispositifs à écran à cristaux liquides sont construits de façon similaire. Une mince couche polymère de cristaux liquides est prise en sandwich entre deux plaques de verre, qui sont couvertes d'une grille constituée de rangées perpendiculaires d'électrodes. Chaque section de la grille est ce qu'on nomme un pixel.

Les électrodes elles-mêmes sont couvertes de « couches d'alignement » qui polarisent la lumière qui les traverse (c'est-à-dire en changent l'orientation planaire). Ces couches agissent comme des filtres qui bloquent tous les rayons lumineux ne présentant pas une certaine orientation.

La lumière qui traverse le premier filtre atteint les cristaux liquides, dont la structure moléculaire hélicoïdale est enroulée comme un tire-bouchon en position verticale. Si les cristaux sont au repos, la lumière descend en vrille le long de leur hélice, se repolarisant en tournant son orientation de 90 degrés. Les rayons traversent alors le second filtre (horizontal) sans rencontrer d'obstacle et les cristaux prennent un aspect transparent.

Lorsqu'on applique une charge électrique aux cristaux, ils se déroulent. Lorsque les cristaux sont déroulés, leur structure moléculaire ne fait pas tourner les rayons lumineux, qui sont bloqués par le second filtre d'alignement. Les cristaux prennent alors un aspect opaque.

Lorsqu'on applique ces charges électriques à différents pixels de la grille électrique, en n'activant donc que certains des cristaux, on fait apparaître des formes, par exemple les chiffres sur l'écran d'une calculatrice.

La découverte des cristaux liquides

Tout a commencé en 1888 lorsqu'un botaniste autrichien, Friedrich Reinitzer, décida de faire fondre une substance similaire au cholestérol et fit à cette occasion une découverte surprenante : la substance en question présentait deux points d'ébullition. À 145,5 °C, le cristal solide se ramollissait jusqu'à prendre la consistance d'un liquide trouble, qu'il conservait jusqu'à une température de 178,5 °C, à laquelle il devenait totalement transparent.

Dérouté par sa découverte, Reinitzer consulta le physicien allemand Otto Lehmann, expert en optique cristalline. Lehmann confirma alors que la substance transparente était en fait un liquide et fut convaincu que la masse trouble présentait quant à elle des propriétés jusqu'alors inédites. C'est lui qui l'a baptisée « cristal liquide », en référence à ses qualités uniques, entre liquide et solide.

Les conclusions de ce duo ont résisté à l' examen critique de leurs pairs et elles ont approfondi les connaissances des cercles scientifiques dans le domaine de la physique des matériaux autour des années 1930. À compter de cette époque, les scientifiques n'ont plus pensé que la matière ne connaît que trois états : ils savaient désormais qu'il existe des milliers de substances qui se trouvent à un état intermédiaire ou autre.

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