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May 03, 2023

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

Informes científicos volumen 12,

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

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Detalles de métricas

Usando un solo sustrato, demostramos una celda de rejilla de fase bidimensional (2-D) simple con un electrodo octothorp. Debido a la gran diferencia de fase espacial en cualquier dirección, la celda de rejilla propuesta tiene un alto valor de turbidez en el estado opaco (76,7%); Además, tiene las ventajas de una celda de rejilla de fase unidimensional (1-D), como alta fabricabilidad, tiempo de respuesta rápido y bajo voltaje operativo. 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 electro-ópticos han sido calculados 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 pantallas de ventana con tiempos de respuesta rápidos.

Se ha informado que las ventanas inteligentes controlan la transmisión 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 especialmente de un tiempo de respuesta rápido y la capacidad de ajustar la dispersión, la absorción o el reflejo 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 mediante el control de la dispersión de la luz26,27,28. Las estructuras poliméricas, los dopantes quirales y los iones en las CL se pueden utilizar para inducir la dispersión de la luz. Sin embargo, estos dispositivos tienen algunas limitaciones, como el alto voltaje de operación, el tiempo de respuesta lento y la 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 usando una rejilla de fase LC no es lo mismo que la dispersión de la luz, tiene el mismo impacto en el control de la neblina. 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 mucho en aplicaciones unidimensionales (1-D)31,32. Para superar este inconveniente, se han propuesto dispositivos de red de fase LC bidimensionales (2-D), que consisten en sustratos superior e inferior con electrodos entrelazados 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, que incluyen un tiempo de respuesta de apagado lento, un alto voltaje de operación 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 octothorp en un solo sustrato. La celda de rejilla propuesta tiene un alto valor de turbidez en el 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 fabricación fácil, tiempo de respuesta rápido y bajo voltaje de operación. 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 figura 1a se muestran un electrodo común, una capa de pasivación y un electrodo estampado en el sustrato inferior como representación de la celda de rejilla propuesta. Las vías verticales y horizontales del octothorp están interconectadas. Las moléculas iniciales de LC alineadas verticalmente se inclinan hacia abajo a lo largo de las direcciones del campo eléctrico utilizando un electrodo octothorp 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 diferencia de fase espacial significativa, la celda de rejilla propuesta podría cambiarse a un estado opaco. Las líneas negras punteadas indican la pared virtual donde las LC no se orientan y actúan como una pared de polímero (Fig. 1a).

Celda de rejilla LC propuesta. ( a ) Estructura de celda y vista superior de las configuraciones del director LC. (b) Distribución de campo eléctrico (20 V). Distribuciones de directores 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 las direcciones vertical, horizontal y diagonal, respectivamente, mientras se aplica un campo eléctrico (15 V). Debido a que el electrodo octothorp se produce en el sustrato inferior, la celda de rejilla LC propuesta presenta 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 octothorp, 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 independiente 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 azimutal.

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 octothorp en el sustrato inferior. La anchura, la longitud y el espacio entre celdas del electrodo estampado fueron de 2,8, 4 y 20 µm, respectivamente. Además, configuramos las opciones TechWiz LCD 3D, 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 de campo lejano se detectó usando 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 a 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 (retardo) 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. Los patrones de difracción verde se detectaron en una pantalla oscura cuando un rayo láser no polarizado (543,5 nm) pasó a través de la celda de 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 los órdenes superiores, independientemente de la dirección de polarización. Debido a la diferencia de fase espacial significativa, podemos esperar que la celda de rejilla propuesta con un electrodo octothorp cambie a un excelente estado opaco, independientemente del ángulo de acimut.

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

Los valores de turbidez de las celdas de rejilla de LC se calcularon para determinar su turbidez. Para evaluar el rendimiento óptico, introdujimos la transmitancia total, especular y difusa y la neblina. 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 neblina 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 por la diferencia entre Tt y Ts.

Cálculo de la condición para el valor de turbidez de las celdas de 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 octothorp tenía una turbidez mayor del 76,7 %, como se muestra en la Fig. 4a. Esto se debe a que la celda de rejilla de octothorp tiene una diferencia de fase espacial mucho mayor, independientemente del ángulo azimutal. Las celdas de rejilla de octothorp 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 polímero (PDLC) o de cristal líquido en red de polímero (PNLC), que se han informado anteriormente. Debido a que la celda de LC propuesta no contiene ninguna matriz polimérica, la turbidez en el estado opaco es causada predominantemente por la difracción del perfil de LC continuo periódico inducido por el campo eléctrico de la luz blanca incidente. Como resultado, en comparación con otras ventanas inteligentes LC, la celda propuesta ofrece beneficios tales como una baja dependencia del ángulo, alta estabilidad, bajo voltaje operativo, tiempo de respuesta rápido y facilidad de fabricación. Mediante el análisis de imágenes en TechWiz LCD 3D, estimamos las imágenes de las celdas de rejilla LC colocadas sobre papel impreso (logotipo de KNU) a varios voltajes aplicados. Cuando se aplicó un voltaje de 15 V, ambas celdas de rejilla se volvieron opacas. Las Figuras 4b y c muestran que la celda de rejilla propuesta era más borrosa que la celda de rejilla 1-D.

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

Un tiempo de respuesta rápido es uno de los requisitos más importantes para las aplicaciones de escaparates. Se investigó el comportamiento de conmutación dinámica de la celda LC propuesta (Fig. 5). La celda de rejilla propuesta tenía 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 celdas de cristal líquido dispersado por 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 [apagado] calculado para celdas de rejilla 1-D, 2-D y octothorp fue de 2,23 ms [3,56 ms], 3,23 ms [18,6 ms] y 3,79 ms [3,78 ms], respectivamente. Los electrodos estampados superior e inferior se usaron en la celda de rejilla 2-D, con el electrodo estampado superior recibiendo voltaje en la dirección x y el electrodo estampado inferior recibiendo voltaje en la dirección y. Como resultado, los LC en la región a granel de la celda de rejilla 2-D se formaron en una dirección aleatoria, mientras que la dirección sugerida de LC de la celda de rejilla tenía una dirección x e y debido al electrodo estampado de fondo único.

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

La celda propuesta puede generar un efecto de rejilla de fase 2-D al constar de electrodos estampados 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 células de rejilla de puntos y protuberancias). La figura 6a muestra esquemas de la celda de rejilla de LC con electrodos octothorp y con patrón de puntos y la celda de rejilla de protuberancia 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 de puntos constaba de un electrodo con patrón circular. El electrodo en la celda de rejilla de puntos se formó intercambiando los electrodos comunes y estampados, a diferencia de la celda de rejilla propuesta. La celda de rejilla de protuberancia tiene la misma estructura de puntos. Cabe señalar que la celda de rejilla de protuberancia no utiliza un electrodo estampado.

Células de rejilla de LC con octothorp y electrodo patrón puntual y células de rejilla de protrusión sin electrodo 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 figura 2a. La imagen POM de la celda puntual fue ligeramente diferente de la de la celda octothorp debido a la formación de paredes virtuales adicionales. Esta diferencia resulta en la disminución del período efectivo a la mitad33. Por lo tanto, el ángulo de difracción de la celda de rejilla de puntos aumenta debido a la disminución del período efectivo (Fig. 6c). En la celda de rejilla de protuberancia, que no utiliza un electrodo estampado, la dirección del campo del electrodo es la misma, independientemente de la posición. Además, los LC cerca de la protuberancia forman un ángulo de preinclinación, que puede proporcionar una dirección a otros LC en la región a granel para crear el efecto 2-D, ya que los LC se encuentran al azar a lo largo de la dirección36,39. Al aumentar el voltaje en la celda de rejilla de protuberancia, podemos observar que las LC circundantes forman nuevos dominios al estar 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, redujimos el período requerido para lograr un efecto de difracción suficiente. Esperábamos que el período reducido resultara en un gran ángulo de difracción; sin embargo, se encontró que el ángulo de difracción estaba reducido. Debido a que los dominios LC no se formaron por el campo eléctrico del electrodo estampado, los LC a granel siguieron a los LC cerca de la protuberancia, y los dominios se rompieron y fusionaron por defectos de sonido36. Por lo tanto, tenía un tamaño de dominio grande.

Hemos calculado el valor de turbidez de las celdas de rejilla LC usando la configuración experimental como se muestra en la Fig. 3. Los valores máximos de turbidez de las celdas de rejilla propuestas, puntuales y de protuberancia 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 red de puntos tiene un alto voltaje operativo porque el área, LC conmutada por la energía elástica (región azul en la Fig. 6a), es más grande que la celda propuesta. Además, los perfiles de tiempo de respuesta calculados de las celdas de rejilla de puntos y protuberancias. El tiempo de respuesta total es 474,178 y cien milisegundos, respectivamente. En el caso de la celda de rejilla de puntos y protuberancias, el tiempo de respuesta es un tiempo de respuesta muy lento. Debido a que la celda de rejilla de punto tiene muchos LC a granel por el electrodo con patrón circular, y la celda de rejilla de protuberancia se cambia de LC usando aislante y ángulo de frotamiento sin el electrodo con patrón.

Valores de neblina 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 octothorp para aplicaciones de visualización de ventanas. La celda de rejilla propuesta muestra una turbidez mayor 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 ha cruzado electrodos interdigitados 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 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 requieren una respuesta rápida.

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

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Descargar referencias

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 por igual: 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 Investigación y Desarrollo 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. Informe científico 12, 11384 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-15636-2

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Recibido: 08 Abril 2022

Aceptado: 27 junio 2022

Publicado: 05 julio 2022

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

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