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Jul 30, 2023

Una simulación de ventana inteligente de cristal líquido difractivo para aplicaciones de privacidad

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 11384 (2022) Cite este artículo 1752 Accesos 4 Citas 1 Detalles de métricas altmétricas Utilizando un único sustrato, demostramos un sistema bidimensional simple.

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 11384 (2022) Citar este artículo

1752 Accesos

4 citas

1 altmétrica

Detalles de métricas

Usando un solo sustrato, demostramos una celda de rejilla de fase bidimensional (2-D) simple con un electrodo de octotorp. Debido a la gran diferencia de fase espacial en cualquier dirección, la celda de rejilla propuesta tiene un alto valor de turbidez en estado opaco (76,7%); Además, tiene las ventajas de una celda de rejilla de fase unidimensional (1-D), como alta capacidad de fabricación, tiempo de respuesta rápido y bajo voltaje de funcionamiento. Además, la celda de rejilla propuesta tiene un tiempo de respuesta más rápido que la celda de rejilla 2-D (comparable a una celda de rejilla 1-D). Todos los parámetros electroópticos se han calculado utilizando una herramienta de modelado comercial. En consecuencia, esperamos que nuestra celda de rejilla propuesta encuentre aplicaciones en sistemas de realidad virtual (VR)/realidad aumentada (AR) o escaparates con tiempos de respuesta rápidos.

Se ha informado que las ventanas inteligentes controlan la transmitancia de la luz solar y el calor solar en dispositivos electrocrómicos, fotocrómicos, termocrómicos, de partículas suspendidas y de cristal líquido (LC)1,2,3,4,5,6,7,8,9,10. Los dispositivos LC se benefician particularmente de un tiempo de respuesta rápido y la capacidad de ajustar la dispersión, absorción o reflexión de la luz, mientras que otras ventanas inteligentes solo pueden controlar la absorción de la luz11,12,13,14,15,16,17,18,19,20. 21,22,23,24,25. Las ventanas LC se pueden utilizar en aplicaciones de privacidad, realidad aumentada (AR), realidad virtual (VR) y pantallas transparentes controlando la dispersión de la luz26,27,28. Se pueden utilizar estructuras poliméricas, dopantes quirales e iones en LC para inducir la dispersión de la luz. Sin embargo, estos dispositivos tienen algunas limitaciones que incluyen alto voltaje de funcionamiento, tiempo de respuesta lento y falta de confiabilidad23,29.

Para superar estos inconvenientes, se han desarrollado dispositivos de rejilla LC para ventanas inteligentes30,31,32,33,34,35. Aunque la difracción de la luz utilizando una rejilla de fase LC no es lo mismo que la dispersión de la luz, tiene el mismo impacto en el control de la turbidez. Tienen varios beneficios en términos de control de la neblina, incluida la reducción de la neblina y un amplio ángulo de visión en condiciones transparentes, bajo voltaje operativo y tiempo de respuesta rápido. Sin embargo, debido al bajo valor de turbidez del 51 %, no se utilizan ampliamente en aplicaciones unidimensionales (1-D)31,32. Para superar este inconveniente, se han propuesto dispositivos de rejilla de fase LC bidimensionales (2-D), que constan de sustratos superior e inferior con electrodos interdigitados cruzados33,34,35. Tenían un valor de turbidez del 83,8%, que es bastante alto. Por otro lado, las celdas de rejilla 2-D tienen serios inconvenientes, incluido un tiempo de respuesta de apagado lento, un alto voltaje de funcionamiento y una fabricación problemática debido a la dificultad de hacer coincidir perpendicularmente los electrodos interdigitados superior e inferior en la práctica.

En este estudio, demostramos una celda de rejilla de fase LC 2-D simple con un electrodo de octotorp en un solo sustrato. La celda de rejilla propuesta tiene un alto valor de turbidez en estado opaco (76,7%) debido a una diferencia de fase espacial sustancial independiente del ángulo azimutal, al mismo tiempo que tiene ventajas de celda de rejilla 1-D, como fácil fabricación, tiempo de respuesta rápido y baja tensión de funcionamiento. La celda de rejilla propuesta se puede utilizar en sistemas VR/AR o escaparates que requieran una respuesta rápida.

Estimamos las características electroópticas de la celda de rejilla LC utilizando el programa de modelado comercial TechWiz LCD 3D (Sanayi System Co., Ltd., Corea). En la Fig. 1a se muestra un electrodo común, una capa de pasivación y un electrodo modelado en el sustrato inferior como una representación de la celda de rejilla propuesta. Las pistas verticales y horizontales del octotorp están interconectadas. Las moléculas de LC iniciales alineadas verticalmente se inclinan hacia abajo a lo largo de las direcciones del campo eléctrico utilizando un electrodo octotorp estampado (Fig. 1b), lo que da como resultado una diferencia de fase espacial sustancial a lo largo de las direcciones vertical y horizontal. Además, debido al efecto de difracción generado por la importante diferencia de fase espacial, la celda de rejilla propuesta podría cambiarse a un estado opaco. Las líneas de puntos negros indican la pared virtual donde los LC no se orientan y actúan como una pared de polímero (Fig. 1a).

Célula de rejilla LC propuesta. (a) Estructura celular y vista superior de las configuraciones del director LC. (b) Distribución del campo E (20 V). Distribuciones del director LC calculadas y perfiles de diferencia de fase en (c) dirección x, (d) dirección y y (e) dirección diagonal.

Las Figuras 1c, d y e muestran las distribuciones del director LC calculadas y los perfiles de diferencia de fase en direcciones vertical, horizontal y diagonal, respectivamente, mientras se aplica un campo eléctrico (15 V). Debido a que el electrodo octotorp se produce en el sustrato inferior, la celda de rejilla LC propuesta exhibe una diferencia de fase espacial sustancial en las direcciones vertical, horizontal y diagonal. Debido a que se reorientan más moléculas de LC a lo largo de la dirección del campo eléctrico aplicado debido al electrodo octotorp, la celda de rejilla sugerida muestra la misma diferencia de fase espacial a lo largo de la dirección diagonal que a lo largo de la dirección vertical u horizontal, como se muestra en la Fig. 1c -mi. Cuando se proporciona un campo eléctrico a la celda LC en esta celda de rejilla, se crea una diferencia de fase espacial sustancial independientemente del ángulo de acimut. Como resultado, cuando la luz blanca ingresa a la celda LC, se difracta, lo que permite que la celda LC cambie a un estado opaco adecuado debido a una diferencia de fase espacial sustancial, independientemente del ángulo de acimut.

Para realizar el objetivo de este estudio, la celda de rejilla propuesta posee las características de alineación vertical, LC nemática positiva (como E7, Merck) (anisotropía dieléctrica Δε = 13,8, índices de refracción no = 1,52 y ne = 1,75, constantes elásticas k11, k22 y k33 son 10,3, 7,4 y 16,5 pN, respectivamente) y electrodo octotorp en el sustrato inferior. El ancho, largo y espacio entre celdas del electrodo estampado fueron 2,8, 4 y 20 µm, respectivamente. Además, configuramos las opciones 3D de TechWiz LCD, como un ángulo de preinclinación, un ángulo azimutal y una longitud de onda de 90°, 0° y 543,5 nm, respectivamente; además, utilizamos un método de análisis óptico con una matriz de Jones extendida de 2 × 2. La intensidad del campo lejano se detectó utilizando un fotodiodo ubicado a 30 cm de la celda LC.

La Figura 2a muestra las imágenes POM de la celda de rejilla propuesta con polarizadores cruzados en varios voltajes aplicados. Para verificar la dirección de rotación de los LC, se insertó una placa de onda completa (45 °) entre los polarizadores cruzados. Cuando se aumentó el voltaje, el brillo (retraso) de la mayoría de las regiones aumentó, mientras que el brillo (retraso) de la pared virtual permaneció constante, lo que resultó en una diferencia de fase espacial30,31,32,33,34,35. Debido a la fluctuación espontánea de la diferencia de fase, los patrones de defectos creados funcionaron bien como rejillas de difracción 2D36. Se detectaron patrones de difracción verdes en una pantalla oscura cuando un rayo láser no polarizado (543,5 nm) pasó a través de la celda LC (Fig. 2b). Debido a que la mayor parte de la energía del láser se dirige a órdenes superiores, la intensidad del orden cero se reduce significativamente, independientemente de la dirección de polarización. Podemos observar que la energía de difracción se transporta bien desde el orden cero a órdenes superiores, independientemente de la dirección de polarización. Debido a la importante diferencia de fase espacial, podemos esperar que la celda de rejilla propuesta con un electrodo de octotorp cambie a un excelente estado opaco, independientemente del ángulo de azimut.

(a) Imágenes POM de la rejilla propuesta con polarizadores cruzados y placa de onda completa. (b) Patrón de difracción de la rejilla propuesta a diferentes voltajes aplicados de 0 a 20 V.

Se calcularon los valores de turbidez de las células de la rejilla LC para determinar su turbidez. Para evaluar el rendimiento óptico, introdujimos la transmitancia y turbidez total, especular y difusa. La transmitancia especular [difusa] Ts [Td] se refiere a la relación de la potencia del haz que emerge de una celda de muestra, que es paralelo (dentro de un pequeño rango de ángulos de 2,5°) [no paralelo] a un haz que ingresa a la celda. , a la potencia transportada por el haz que ingresa a la muestra. La transmitancia total Tt es la suma de la transmitancia especular Ts y la transmitancia difusa Td. La turbidez H se puede calcular como H = Td/Tt. En nuestro cálculo, la transmitancia especular se calculó integrando la intensidad con un rango de 2,5 ° como se muestra en la Fig. 3. La Td se calculó mediante la diferencia entre Tt y Ts.

Cálculo de la condición para el valor de turbidez de las celdas de la rejilla.

Con un voltaje aplicado de 10 V, la celda de rejilla 1-D tenía una turbidez del 51,2%, mientras que la celda de rejilla de octotorp tenía una turbidez mayor del 76,7%, como se muestra en la Fig. 4a. Esto se debe a que la celda de la rejilla del octotorp tiene una diferencia de fase espacial mucho mayor, independientemente del ángulo azimutal. Las celdas de rejilla de octotorp representaron valores de turbidez un 25,5% más altos que la celda de rejilla 1-D. Esto es comparable a las ventanas inteligentes LC basadas en la dispersión de la luz, como las células de cristal líquido disperso en polímeros (PDLC) o las células de cristal líquido en red de polímeros (PNLC), que se han informado anteriormente. Debido a que la celda LC propuesta no contiene ninguna matriz polimérica, la turbidez en el estado opaco es causada predominantemente por la difracción continua periódica del perfil LC de la luz blanca incidente inducida por el campo eléctrico. Como resultado, en comparación con otras ventanas inteligentes LC, la celda propuesta ofrece beneficios como baja dependencia del ángulo, alta estabilidad, bajo voltaje operativo, tiempo de respuesta rápido y facilidad de fabricación. Utilizando el análisis de imágenes en TechWiz LCD 3D, estimamos las imágenes de las celdas de la rejilla LC colocadas sobre papel impreso (logotipo de KNU) a varios voltajes aplicados. Cuando se aplicó un voltaje de 15 V, ambas células de la rejilla se volvieron opacas. Las Figuras 4b yc muestran que la celda de rejilla propuesta era más turbia que la celda de rejilla 1-D.

( a ) Valores de turbidez de la celda de rejilla 1-D y la celda de rejilla de octotorp. Las imágenes calculadas de las celdas (b) de rejilla 1-D y (c) de rejilla octothorp con el logotipo de KNU.

Un tiempo de respuesta rápido es uno de los requisitos más importantes para las aplicaciones de escaparate. Se investigó el comportamiento de conmutación dinámica de la celda LC propuesta (Fig. 5). La celda de rejilla propuesta tuvo un tiempo de respuesta total de 7,57 ms, que es sustancialmente más rápido que las ventanas inteligentes LC existentes, incluidas las celdas de cristal líquido colestérico, cristal líquido de red de polímeros y células de cristal líquido dispersos de polímeros, que tienen tiempos de respuesta de varios cientos. milisegundos19,37,38. Además, se examinaron los tiempos de respuesta para las celdas de rejilla 1-D y 2-D. El tiempo de encendido y apagado calculado para las celdas de rejilla 1-D, 2-D y octotorp fue de 2,23 ms [3,56 ms], 3,23 ms [18,6 ms] y 3,79 ms [3,78 ms], respectivamente. Los electrodos con patrón superior e inferior se usaron en la celda de rejilla 2-D, con el electrodo con patrón superior recibiendo voltaje en la dirección x y el electrodo con patrón inferior recibiendo voltaje en la dirección y. Como resultado, las LC en la región masiva de la celda de rejilla 2-D se formaron en una dirección aleatoria, mientras que la dirección LC sugerida de la celda de rejilla tenía una dirección xey debido al electrodo con patrón de fondo único.

Tiempo de respuesta calculado de las células de rejilla LC (las células 1D, 2D y octothorp).

La celda propuesta puede generar un efecto de rejilla de fase 2D al constar de electrodos modelados en un solo sustrato. Además, hemos demostrado algunos dispositivos más que pueden producir el efecto de rejilla 2-D con estructuras en un sustrato (las celdas de rejilla puntuales y salientes). La Figura 6a muestra esquemas de la celda de rejilla LC con octotorp y electrodos con patrón de puntos y la celda de rejilla de protrusión sin electrodos con patrón. Los colores rojo, azul y amarillo en la Fig. 6a representan un electrodo estampado, un electrodo común y un aislante, respectivamente. En comparación con la celda de rejilla propuesta, la celda de rejilla puntual consistía en un electrodo con un patrón circular. El electrodo en la celda de rejilla puntual se formó intercambiando los electrodos común y estampado, a diferencia de la celda de rejilla propuesta. La celda de rejilla saliente tiene la misma estructura puntual. Cabe señalar que la celda de rejilla saliente no utiliza un electrodo estampado.

Células de rejilla LC con octotorp y electrodo con patrón de puntos y células de rejilla de protrusión sin electrodo con patrón. (a) Esquema de las estructuras; (b) imágenes POM; (c) Patrones de difracción al valor máximo de turbidez.

La Figura 6b muestra imágenes POM de polarizadores cruzados y una placa de onda completa (45 °) en las mismas condiciones que en la Fig. 2a. La imagen POM de la celda puntual era ligeramente diferente de la de la celda de octotorp debido a la formación de paredes virtuales adicionales. Esta diferencia resulta en la disminución del período de vigencia a la mitad33. Por lo tanto, el ángulo de difracción de la celda de rejilla puntual aumenta debido a la disminución del período efectivo (Fig. 6c). En la celda de rejilla saliente, que no utiliza un electrodo estampado, la dirección del campo del electrodo es la misma, independientemente de la posición. Además, las LC cerca de la protuberancia forman un ángulo de preinclinación, que puede proporcionar una dirección a otras LC en la región masiva para crear el efecto 2-D, ya que las LC se han colocado aleatoriamente a lo largo de la dirección36,39. Al aumentar el voltaje en la celda de la rejilla saliente, podemos observar que los LC circundantes forman nuevos dominios al ubicarse en una dirección similar, como se muestra en la Fig. 6b. Cabe señalar que el tamaño del dominio se puede cambiar con el tiempo y el voltaje aplicado, lo que puede resultar en una baja confiabilidad. En la celda de rejilla de protrusión, reducimos el período requerido para lograr un efecto de difracción suficiente. Esperábamos que el período reducido diera como resultado un ángulo de difracción grande; sin embargo, se encontró que el ángulo de difracción estaba reducido. Debido a que los dominios LC no fueron formados por el campo eléctrico del electrodo modelado, los LC masivos siguieron a los LC cerca de la protrusión, y los dominios se rompieron y fusionaron por defectos de sondeo36. Por tanto, tenía un tamaño de dominio grande.

Hemos calculado el valor de turbidez de las celdas de rejilla LC utilizando la configuración experimental como se muestra en la Fig. 3. Los valores máximos de turbidez de las celdas de rejilla propuestas, puntuales y de protrusión fueron 76,7, 70,45 y 95,56% a 12,5, 35 y 10 V, respectivamente, como se muestra en la Fig. 7. La celda de rejilla puntual tiene un alto voltaje de funcionamiento porque el área, LC conmutadas por la energía elástica (región azul en la Fig. 6a), es más grande que la celda propuesta. Además, se calcularon los perfiles de tiempo de respuesta de las celdas de rejilla puntuales y salientes. El tiempo total de respuesta es 474,178 y cien milisegundos, respectivamente. En el caso de la celda de rejilla de manchas y protuberancias, el tiempo de respuesta es muy lento. Debido a que la celda de rejilla puntual tiene muchos LC a granel mediante el electrodo con patrón circular, y la celda de rejilla de protrusión cambia de LC usando un aislante y un ángulo de fricción sin el electrodo con patrón.

Valores de turbidez calculados del punto, la protuberancia y las celdas de rejilla propuestas en función del voltaje aplicado.

Demostramos las características electroópticas de una celda de rejilla LC alineada verticalmente con un electrodo octotorp para aplicaciones de escaparate. La celda de rejilla propuesta muestra una mayor turbidez que la de la celda de rejilla 1-D debido a la gran diferencia de fase espacial en cualquier dirección. Nuestra celda de rejilla propuesta tiene la ventaja de una alta fabricabilidad porque la celda de rejilla propuesta tiene electrodos interdigitados cruzados solo en el sustrato inferior, fácil manejo, bajo consumo de energía y tiempo de respuesta rápido que la celda de rejilla 2-D (similar a la celda de rejilla 1-D). celúla). Por lo tanto, esperamos que nuestra celda de rejilla propuesta tenga varias aplicaciones, como dispositivos militares, realidad aumentada, dispositivos de realidad virtual y aplicaciones de ventana que requieran una respuesta rápida.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Este trabajo fue apoyado por la subvención de la Fundación Nacional de Investigación de Corea (NRF) financiada por el gobierno coreano (MSIP) (No. 2021R1I1A3052581).

Los siguientes autores contribuyeron igualmente: Chan-Hee Han y Hyeonseok Eo.

Departamento de Ingeniería de Comunicación de Información Eléctrica, Universidad Nacional de Kangwon, Samcheok, Gangwon, 25913, República de Corea

Chan Hee Han y Seung Won Oh

Departamento de Ingeniería Eléctrica, POSTECH, Pohang, 37673, República de Corea

Hyeonseok Eo y Wook-Sung Kim

Centro de I+D de materiales inteligentes, Instituto de Tecnología Automotriz de Corea, Cheonan, 31214, República de Corea

Tae Hoon Choi

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CHH y THC concibieron y propusieron el experimento. HE y W.-SK desarrollaron el modelo teórico. SWO escribió el artículo y discutió los resultados CHH, HE, THC y WSK.

Correspondencia a Wook-Sung Kim o Seung-Won Oh.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Han, CH., Eo, H., Choi, TH. et al. Una simulación de ventana inteligente de cristal líquido difractivo para aplicaciones de privacidad. Representante científico 12, 11384 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-15636-2

Descargar cita

Recibido: 08 de abril de 2022

Aceptado: 27 de junio de 2022

Publicado: 05 de julio de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-15636-2

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