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Jul 21, 2023

Eine Simulation eines diffraktiven Flüssigkristall-Smart-Fensters für Datenschutzanwendungen

Scientific Reports Band 12, Artikelnummer: 11384 (2022) Diesen Artikel zitieren 1691 Zugriffe 4 Zitate 1 Altmetrische Metrikdetails Anhand eines einzelnen Substrats demonstrieren wir eine einfache zweidimensionale Darstellung

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 11384 (2022) Diesen Artikel zitieren

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4 Zitate

1 Altmetrisch

Details zu den Metriken

Anhand eines einzelnen Substrats demonstrieren wir eine einfache zweidimensionale (2-D) Phasengitterzelle mit einer Octothorp-Elektrode. Aufgrund der großen räumlichen Phasendifferenz in jede Richtung weist die vorgeschlagene Gitterzelle im undurchsichtigen Zustand einen hohen Trübungswert auf (76,7 %); Darüber hinaus bietet sie die Vorteile einer eindimensionalen (1-D) Phasengitterzelle, wie z. B. hohe Herstellbarkeit, schnelle Reaktionszeit und niedrige Betriebsspannung. Darüber hinaus hat die vorgeschlagene Gitterzelle eine schnellere Reaktionszeit als die 2D-Gitterzelle (vergleichbar mit einer 1D-Gitterzelle). Alle elektrooptischen Parameter wurden mit einem kommerziellen Modellierungstool berechnet. Daher gehen wir davon aus, dass unsere vorgeschlagene Gitterzelle in Systemen der virtuellen Realität (VR)/erweiterten Realität (AR) oder in Fensteranzeigen mit schnellen Reaktionszeiten Anwendung finden wird.

Es wurde berichtet, dass intelligente Fenster die Durchlässigkeit von Sonnenlicht und Sonnenwärme in elektrochromen, photochromen, thermochromen, Schwebeteilchen- und Flüssigkristallgeräten (LC) steuern1,2,3,4,5,6,7,8,9,10. LC-Geräte profitieren insbesondere von einer schnellen Reaktionszeit und der Möglichkeit, Lichtstreuung, -absorption oder -reflexion anzupassen, während andere intelligente Fenster nur die Lichtabsorption steuern können11,12,13,14,15,16,17,18,19,20, 21,22,23,24,25. LC-Fenster können durch Steuerung der Lichtstreuung in Datenschutzanwendungen, Augmented Reality (AR), Virtual Reality (VR) und transparenten Displays eingesetzt werden26,27,28. Polymerstrukturen, chirale Dotierstoffe und Ionen in LCs können verwendet werden, um Lichtstreuung zu induzieren. Allerdings weisen diese Geräte einige Einschränkungen auf, darunter eine hohe Betriebsspannung, eine langsame Reaktionszeit und mangelnde Zuverlässigkeit23,29.

Um diese Nachteile zu überwinden, wurden LC-Gittergeräte für Smart Windows30,31,32,33,34,35 entwickelt. Obwohl Lichtbeugung mit einem LC-Phasengitter nicht dasselbe ist wie Lichtstreuung, hat sie die gleichen Auswirkungen auf die Trübungskontrolle. Sie bieten verschiedene Vorteile im Hinblick auf die Trübungskontrolle, darunter reduzierte Trübung und einen weiten Betrachtungswinkel bei transparenten Bedingungen, niedrige Betriebsspannung und schnelle Reaktionszeit. Aufgrund des niedrigen Trübungswerts von 51 % werden sie jedoch nicht in großem Umfang in eindimensionalen (1-D) Anwendungen eingesetzt31,32. Um diesen Nachteil zu überwinden, wurden zweidimensionale (2-D) LC-Phasengittervorrichtungen vorgeschlagen, die aus oberen und unteren Substraten mit gekreuzten ineinandergreifenden Elektroden bestehen33,34,35. Sie hatten einen Trübungswert von 83,8 %, was recht hoch ist. Andererseits weisen die 2D-Gitterzellen schwerwiegende Nachteile auf, darunter eine langsame Abschaltreaktionszeit, eine hohe Betriebsspannung und eine problematische Herstellung aufgrund der Schwierigkeit, die oberen und unteren ineinandergreifenden Elektroden in der Praxis senkrecht aufeinander abzustimmen.

In dieser Studie demonstrieren wir eine einfache 2D-LC-Phasengitterzelle mit einer Octothorp-Elektrode auf einem einzelnen Substrat. Die vorgeschlagene Gitterzelle weist im undurchsichtigen Zustand aufgrund einer erheblichen räumlichen Phasendifferenz unabhängig vom Azimutwinkel einen hohen Trübungswert (76,7 %) auf und bietet gleichzeitig Vorteile der eindimensionalen Gitterzelle, wie einfache Herstellung, schnelle Reaktionszeit usw niedrige Betriebsspannung. Die vorgeschlagene Gitterzelle kann in VR/AR-Systemen oder Fensteranzeigen verwendet werden, die eine schnelle Reaktion erfordern.

Wir haben die elektrooptischen Eigenschaften der LC-Gitterzelle mithilfe des kommerziellen Modellierungsprogramms TechWiz LCD 3D (Sanayi System Co., Ltd., Korea) geschätzt. Eine gemeinsame Elektrode, eine Passivierungsschicht und eine strukturierte Elektrode auf dem unteren Substrat sind in Abb. 1a als Darstellung der vorgeschlagenen Gitterzelle dargestellt. Die vertikalen und horizontalen Spuren des Oktothorps sind miteinander verbunden. Die anfänglich vertikal ausgerichteten LC-Moleküle werden mithilfe einer strukturierten Oktothorp-Elektrode entlang der Richtung des elektrischen Feldes nach unten geneigt (Abb. 1b), was zu einer erheblichen räumlichen Phasendifferenz entlang der vertikalen und horizontalen Richtung führt. Darüber hinaus konnte die vorgeschlagene Gitterzelle aufgrund des durch die erhebliche räumliche Phasendifferenz erzeugten Beugungseffekts in einen undurchsichtigen Zustand überführt werden. Die gepunkteten schwarzen Linien zeigen die virtuelle Wand an, an der sich die LCs nicht ausrichten und als Polymerwand fungieren (Abb. 1a).

Vorgeschlagene LC-Gitterzelle. (a) Zellstruktur und Draufsicht auf LC-Direktorkonfigurationen. (b) E-Feldverteilung (20 V). Berechnete LC-Direktorverteilungen und Phasendifferenzprofile in (c) x-Richtung, (d) y-Richtung und (e) diagonaler Richtung.

Abbildung 1c, d und e zeigen die berechneten LC-Direktorverteilungen und Phasendifferenzprofile in vertikaler, horizontaler bzw. diagonaler Richtung beim Anlegen eines elektrischen Feldes (15 V). Da die Oktothorp-Elektrode auf dem unteren Substrat hergestellt wird, weist die vorgeschlagene LC-Gitterzelle einen erheblichen räumlichen Phasenunterschied in vertikaler, horizontaler und diagonaler Richtung auf. Da aufgrund der Oktothorp-Elektrode mehr LC-Moleküle entlang der Richtung des angelegten elektrischen Feldes neu ausgerichtet werden, weist die vorgeschlagene Gitterzelle entlang der diagonalen Richtung die gleiche räumliche Phasendifferenz auf wie entlang der vertikalen oder horizontalen Richtung, wie in Abb. 1c dargestellt –E. Wenn der LC-Zelle in dieser Gitterzelle ein elektrisches Feld zugeführt wird, entsteht unabhängig vom Azimutwinkel eine erhebliche räumliche Phasendifferenz. Wenn weißes Licht in die LC-Zelle eintritt, wird es daher gebeugt, wodurch die LC-Zelle aufgrund einer erheblichen räumlichen Phasendifferenz unabhängig vom Azimutwinkel in einen geeigneten undurchsichtigen Zustand geschaltet werden kann.

Um das Ziel dieser Studie zu erreichen, besitzt die vorgeschlagene Gitterzelle die Eigenschaften einer vertikalen Ausrichtung, eines positiv nematischen LC (wie E7, Merck) (dielektrische Anisotropie Δε = 13,8, Brechungsindizes no = 1,52 und ne = 1,75, elastische Konstanten k11, k22 und k33 sind 10,3, 7,4 bzw. 16,5 pN) und Octothorp-Elektrode auf dem unteren Substrat. Die Breite, Länge und Zelllücke der strukturierten Elektrode betrugen 2,8, 4 bzw. 20 µm. Darüber hinaus haben wir die TechWiz LCD 3D-Optionen wie Vorneigungswinkel, Azimutwinkel und Wellenlänge auf 90°, 0° bzw. 543,5 nm eingestellt; Darüber hinaus verwendeten wir eine optische Analysemethode mit einer 2 × 2 erweiterten Jones-Matrix. Die Fernfeldintensität wurde mithilfe einer Fotodiode erfasst, die sich 30 cm von der LC-Zelle entfernt befand.

Abbildung 2a zeigt die POM-Bilder der vorgeschlagenen Gitterzelle mit gekreuzten Polarisatoren bei verschiedenen angelegten Spannungen. Um die Drehrichtung der LCs zu überprüfen, wurde eine Vollwellenplatte (45°) zwischen den gekreuzten Polarisatoren eingefügt. Wenn die Spannung erhöht wurde, nahm die Helligkeit (Verzögerung) der meisten Bereiche zu, während die Helligkeit (Verzögerung) der virtuellen Wand konstant blieb, was zu einer räumlichen Phasendifferenz30,31,32,33,34,35 führte. Aufgrund der spontanen Fluktuation der Phasendifferenz funktionierten die erzeugten Defektmuster gut als 2D-Beugungsgitter36. Grüne Beugungsmuster wurden auf einem dunklen Bildschirm erkannt, als ein unpolarisierter Laserstrahl (543,5 nm) durch die LC-Zelle ging (Abb. 2b). Da der Großteil der Laserenergie auf höhere Ordnungen gerichtet ist, wird die Intensität der nullten Ordnung unabhängig von der Polarisationsrichtung deutlich reduziert. Wir können beobachten, dass die Beugungsenergie unabhängig von der Polarisationsrichtung gut von der nullten Ordnung zu höheren Ordnungen transportiert wird. Aufgrund der erheblichen räumlichen Phasendifferenz können wir davon ausgehen, dass die vorgeschlagene Gitterzelle mit einer Oktothorp-Elektrode unabhängig vom Azimutwinkel in einen hervorragenden undurchsichtigen Zustand wechselt.

(a) POM-Bilder des vorgeschlagenen Gitters mit gekreuzten Polarisatoren und Vollwellenplatte. (b) Beugungsmuster des vorgeschlagenen Gitters bei verschiedenen angelegten Spannungen von 0 bis 20 V.

Die Trübungswerte der LC-Gitterzellen wurden berechnet, um deren Trübung zu bestimmen. Um die optische Leistung zu bewerten, haben wir die Gesamt-, Spiegel- und diffuse Durchlässigkeit und Trübung eingeführt. Der spiegelnde [diffuse] Transmissionsgrad Ts [Td] bezieht sich auf das Verhältnis der Leistung des Strahls, der aus einer Probenzelle austritt und parallel (innerhalb eines kleinen Winkelbereichs von 2,5°) [nicht parallel] zu einem in die Zelle eintretenden Strahl verläuft , zur Leistung des Strahls, der in die Probe eintritt. Der Gesamttransmissionsgrad Tt ist die Summe aus dem spiegelnden Transmissionsgrad Ts und dem diffusen Transmissionsgrad Td. Die Trübung H kann als H = Td/Tt berechnet werden. In unserer Berechnung wurde die Spiegeldurchlässigkeit durch Integration der Intensität mit einem Bereich von 2,5° berechnet, wie in Abb. 3 dargestellt. Der Td wurde aus der Differenz zwischen Tt und Ts berechnet.

Berechnungsbedingung für den Trübungswert der Gitterzellen.

Bei einer angelegten Spannung von 10 V wies die 1-D-Gitterzelle eine Trübung von 51,2 % auf, wohingegen die Octothorp-Gitterzelle eine höhere Trübung von 76,7 % aufwies, wie in Abb. 4a gezeigt. Dies liegt daran, dass die Oktothorp-Gitterzelle unabhängig vom Azimutwinkel eine viel größere räumliche Phasendifferenz aufweist. Die Octothorp-Gitterzellen verursachten 25,5 % höhere Trübungswerte als die 1-D-Gitterzelle. Dies ist vergleichbar mit intelligenten LC-Fenstern, die auf Lichtstreuung basieren, wie z. B. Polymer-Dispersed Liquid Crystal (PDLC) oder Polymer-Networked Liquid Crystal (PNLC)-Zellen, über die bereits berichtet wurde. Da die vorgeschlagene LC-Zelle keine Polymermatrizes enthält, wird die Trübung im undurchsichtigen Zustand hauptsächlich durch die durch das elektrische Feld induzierte periodische kontinuierliche LC-Profilbeugung des weißen einfallenden Lichts verursacht. Im Vergleich zu anderen intelligenten LC-Fenstern bietet die vorgeschlagene Zelle daher Vorteile wie geringe Winkelabhängigkeit, hohe Stabilität, niedrige Betriebsspannung, schnelle Reaktionszeit und einfache Herstellung. Mithilfe der Bildanalyse in TechWiz LCD 3D haben wir die Bilder der LC-Gitterzellen geschätzt, die bei verschiedenen angelegten Spannungen auf bedrucktem Papier (KNU-Logo) platziert wurden. Beim Anlegen einer Spannung von 15 V wurden beide Gitterzellen undurchsichtig. Abbildung 4b und c zeigen, dass die vorgeschlagene Gitterzelle trüber war als die 1-D-Gitterzelle.

(a) Trübungswerte der 1-D-Gitterzelle und der Octothorp-Gitterzelle. Die berechneten Bilder der (b) 1-D-Gitter- und (c) Octothorp-Gitterzellen mit dem KNU-Logo.

Eine schnelle Reaktionszeit ist eine der wichtigsten Anforderungen für Schaufensteranwendungen. Das dynamische Schaltverhalten der vorgeschlagenen LC-Zelle wurde untersucht (Abb. 5). Die vorgeschlagene Gitterzelle hatte eine Gesamtreaktionszeit von 7,57 ms, was wesentlich schneller ist als die bestehenden LC-Smart-Fenster, einschließlich cholesterischer Flüssigkristall-, Polymernetzwerk-Flüssigkristall- und polymerdispergierter Flüssigkristallzellen, die Reaktionszeiten von mehreren Hundert haben Millisekunden19,37,38. Darüber hinaus wurden die Reaktionszeiten für die 1-D- und 2-D-Gitterzellen untersucht. Die berechnete Einschalt-/Ausschaltzeit für 1-D-, 2-D- und Octothorp-Gitterzellen betrug 2,23 ms [3,56 ms], 3,23 ms [18,6 ms] bzw. 3,79 ms [3,78 ms]. Die oberen und unteren strukturierten Elektroden wurden in der 2D-Gitterzelle verwendet, wobei die obere strukturierte Elektrode Spannung in x-Richtung und die untere strukturierte Elektrode Spannung in y-Richtung empfing. Infolgedessen wurden die LCs im Volumenbereich der 2D-Gitterzelle in einer zufälligen Richtung gebildet, wohingegen die vorgeschlagene LC-Richtung der Gitterzelle aufgrund der einzelnen unteren strukturierten Elektrode eine x- und y-Richtung aufwies.

Berechnete Reaktionszeit von LC-Gitterzellen (1D-, 2D- und Octothorp-Zellen).

Die vorgeschlagene Zelle kann einen 2D-Phasengittereffekt erzeugen, indem sie aus strukturierten Elektroden in nur einem Substrat besteht. Darüber hinaus haben wir einige weitere Geräte demonstriert, die den 2D-Gittereffekt mit Strukturen in einem Substrat (den Spot- und Protrusions-Gitterzellen) erzeugen können. Abbildung 6a zeigt schematische Darstellungen der LC-Gitterzelle mit Oktothorp- und Punkt-gemusterten Elektroden und der Protrusions-Gitterzelle ohne gemusterte Elektroden. Die roten, blauen und gelben Farben in Abb. 6a stellen eine strukturierte Elektrode, eine gemeinsame Elektrode bzw. einen Isolator dar. Im Vergleich zur vorgeschlagenen Gitterzelle bestand die Punktgitterzelle aus einer kreisförmigen Elektrode. Die Elektrode in der Punktgitterzelle wurde im Gegensatz zur vorgeschlagenen Gitterzelle durch Austausch der gemeinsamen und strukturierten Elektroden gebildet. Die Protrusionsgitterzelle weist die gleiche Punktstruktur auf. Es ist zu beachten, dass die Protrusionsgitterzelle keine strukturierte Elektrode verwendet.

LC-Gitterzellen mit Octothorp- und Spot-gemusterter Elektrode und Protrusionsgitterzellen ohne gemusterte Elektrode. (a) Schematische Darstellung der Strukturen; (b) POM-Bilder; (c) Beugungsmuster bei maximalem Trübungswert.

Abbildung 6b zeigt POM-Bilder von gekreuzten Polarisatoren und einer Vollwellenplatte (45°) unter den gleichen Bedingungen wie in Abb. 2a. Das POM-Bild der Spot-Zelle unterschied sich geringfügig von dem der Octothorp-Zelle aufgrund der Bildung zusätzlicher virtueller Wände. Diese Differenz führt zu einer Verkürzung der effektiven Periode um die Hälfte33. Daher vergrößert sich der Beugungswinkel der Punktgitterzelle aufgrund der Verringerung der effektiven Periode (Abb. 6c). In der Protrusionsgitterzelle, die keine strukturierte Elektrode verwendet, ist die Richtung des Elektrodenfelds unabhängig von der Position gleich. Darüber hinaus bilden LCs in der Nähe des Vorsprungs einen Vorneigungswinkel, der anderen LCs im Massenbereich eine Richtung vorgeben kann, um den 2D-Effekt zu erzeugen, da LCs zufällig entlang der Richtung liegen36,39. Durch Erhöhen der Spannung in der Protrusionsgitterzelle können wir beobachten, dass die umgebenden LCs neue Domänen bilden, indem sie in einer ähnlichen Richtung liegen, wie in Abb. 6b gezeigt. Es ist zu beachten, dass sich die Domänengröße mit der Zeit und der angelegten Spannung ändern kann, was zu einer geringen Zuverlässigkeit führen kann. In der Protrusionsgitterzelle haben wir die Zeit verkürzt, die erforderlich ist, um einen ausreichenden Beugungseffekt zu erzielen. Wir erwarteten, dass die verkürzte Periode zu einem großen Beugungswinkel führen würde; Es wurde jedoch festgestellt, dass der Beugungswinkel verringert war. Da die LC-Domänen nicht durch das elektrische Feld der strukturierten Elektrode gebildet wurden, folgten die Massen-LCs den LCs in der Nähe des Vorsprungs, und die Domänen wurden durch sondierende Defekte gebrochen und verschmolzen36. Daher hatte es eine große Domänengröße.

Wir haben den Trübungswert der LC-Gitterzellen unter Verwendung des in Abb. 3 gezeigten Versuchsaufbaus berechnet. Die maximalen Trübungswerte der vorgeschlagenen, punktuellen und hervorstehenden Gitterzellen betrugen 76,7, 70,45 und 95,56 % bei 12,5, 35 und 10 V, wie in Abb. 7 dargestellt. Die Punktgitterzelle hat eine hohe Betriebsspannung, da die Fläche der durch die elastische Energie geschalteten LCs (blauer Bereich in Abb. 6a) größer ist als die vorgeschlagene Zelle. Darüber hinaus werden die Reaktionszeitprofile der Spot- und Protrusionsgitterzellen berechnet. Die Gesamtantwortzeit beträgt 474,178 bzw. hundert Millisekunden. Im Fall der Punkt- und Protrusionsgitterzelle ist die Reaktionszeit sehr langsam. Da die Punktgitterzelle viele Massen-LCs durch die kreisförmige gemusterte Elektrode aufweist und die Vorsprungsgitterzelle aus geschalteten LCs besteht, die einen Isolator und einen Reibwinkel ohne die gemusterte Elektrode verwenden.

Berechnete Trübungswerte des Spots, des Vorsprungs und der vorgeschlagenen Gitterzellen als Funktion der angelegten Spannung.

Wir demonstrieren die elektrooptischen Eigenschaften einer vertikal ausgerichteten LC-Gitterzelle mit einer Oktothorp-Elektrode für Fensterdisplayanwendungen. Die vorgeschlagene Gitterzelle weist aufgrund der großen räumlichen Phasendifferenz in jede Richtung eine höhere Trübung als die 1-D-Gitterzelle auf. Unsere vorgeschlagene Gitterzelle hat den Vorteil einer hohen Herstellbarkeit, da die vorgeschlagene Gitterzelle nur im unteren Substrat gekreuzte ineinandergreifende Elektroden aufweist, eine einfache Ansteuerung, einen geringen Stromverbrauch und eine schnellere Reaktionszeit als die 2D-Gitterzelle (ähnlich dem 1D-Gitter). Zelle). Daher gehen wir davon aus, dass unsere vorgeschlagene Gitterzelle verschiedene Anwendungen haben wird, wie z. B. militärische Geräte, Augmented Reality, Virtual Reality-Geräte und Fensteranwendungen, die eine schnelle Reaktion erfordern.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Arbeit wurde durch den von der koreanischen Regierung finanzierten Zuschuss der National Research Foundation of Korea (NRF) (MSIP) (Nr. 2021R1I1A3052581) unterstützt.

Die folgenden Autoren haben gleichermaßen beigetragen: Chan-Hee Han und Hyeonseok Eo.

Abteilung für elektrische Informations- und Kommunikationstechnik, Kangwon National University, Samcheok, Gangwon, 25913, Republik Korea

Chan-Hee Han & Seung-Won Oh

Fakultät für Elektrotechnik, POSTECH, Pohang, 37673, Republik Korea

Hyeonseok Eo & Wook-Sung Kim

Smart Materials R&D Center, Korea Automotive Technology Institute, Cheonan, 31214, Republik Korea

Tae-Hoon Choi

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CHH und THC haben das Experiment konzipiert und vorgeschlagen. HE und W.-SK entwickelten das theoretische Modell. SWO hat den Artikel geschrieben und die Ergebnisse CHH, HE und THC sowie WSK besprochen

Korrespondenz mit Wook-Sung Kim oder Seung-Won Oh.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Han, CH., Eo, H., Choi, TH. et al. Eine Simulation eines diffraktiven Flüssigkristall-Smart-Fensters für Datenschutzanwendungen. Sci Rep 12, 11384 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-15636-2

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Eingegangen: 08. April 2022

Angenommen: 27. Juni 2022

Veröffentlicht: 05. Juli 2022

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

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