Un dispositif de cristallin Liquid cholestérique électrochimique pour la Modulation de la couleur rapide et à basse tension

Résumé

Un protocole de fabrication d’un dispositif affichage cristallin liquide cholestérique réflectif contenant un dopant chiraux favorisant l’oxydo-réduction, permettant un fonctionnement rapide et basse tension est présenté.

Résumé

Nous démontrons un procédé de fabrication d’un dispositif d’affichage réflectif prototype contenant des cristaux liquides cholestériques (LC) comme une composante active. Le LC cholestérique regroupe un nématique LC 4'-pentyloxy-4-cyanobiphenyl (5OCB), dopant chiraux favorisant l’oxydo-réduction (^FcD) et un prise en charge électrolyte 1-éthyl-3-méthylimidazolium trifluorométhanesulfonate (EMIm-OTf). La composante la plus importante est ^FcD. Cette molécule modifie sa valeur de puissance (HTP) torsion hélicoïdale en réponse aux réactions d’oxydo-réduction. Par conséquent, réactions redox électrochimiques in situ dans le mélange de LC permettent l’appareil changer sa couleur de réflexion en réponse à des stimuli électriques. Le mélange de LC a été introduit, par une action capillaire, dans une cellule verre de ITO type sandwich composée de deux lames de verre avec électrodes de motifs d’indium de d’oxyde d’étain (ITO), dont un a été recouvert de poly(3,4-ethylenedioxythiophene) -co-poly (éthylène glycol) dopé au perchlorate (PEDOT⁺). À la demande de + 1,5 V, la couleur de réflexion de l’appareil changé du bleu (467 nm) au vert (485 nm) à 0,4 s. ultérieure demande de 0 V fait l’appareil récupérer la couleur d’origine bleue 2.7 s. Cet appareil est caractérisé par sa réponse électrique la plus rapide et plus basse tension parmi tout signalé auparavant cholestérique appareil LC. Ce dispositif pourrait ouvrir la voie pour le développement de la prochaine affiche réfléchissant de génération avec les taux de consommation d’énergie faible.

Introduction

Les cristaux liquides cholestériques (LCs) sont connus pour exposer les couleurs de réflexion lumineuse en raison de leurs arrangements moléculaires hélicoïdale interne^1,2,3,4. La réflexion de longueur d’onde λ est déterminée par la hauteur hélicoïdale P et la moyenne réfraction indice n du code du travail (λ = nP). Ces LCs peut être généré par dopage chiral composés (chirales dopants) à nématique LCs et sa hauteur hélicoïdale est définie par l’équation P = 1/β_MC, où β_M correspond à la puissance de torsion hélicoïdale (HTP) et C est la molaire fraction de la dopant chiraux. Basé sur cette notion, divers dopants chiraux qui peut répondre à une variété de stimuli tels que lumière^5,6,7,8,⁹de la chaleur, champ magnétique¹⁰et gaz¹¹ a été développé. Ces propriétés sont potentiellement utiles pour diverses applications telles que les capteurs lasers et^{12 13,14,15} entre autres^16,17,18 .

Récemment, nous avons développé le premier dopant chiraux favorisant l’oxydoréduction ^FcD (Figure 1A)¹⁹ qui pouvez modifier sa valeur d’HTP en réponse aux réactions d’oxydo-réduction. ^FC D est composé d’une unité de ferrocène, qui peut subir réversible redox réactions^20,21,22et un binaphtyle, qui est connu pour la pièce haute HTP valeur²³. Le LC cholestérique dopé au ^FcD, en présence d’un électrolyte, peut changer sa couleur de réflexion au sein de 0,4 s et récupérer ses originaux couleur 2.7 s à la demande de la tension de + 1,5 et 0 V, respectivement. La vitesse de réponse haute et basse tension observée pour le périphérique est sans précédent entre n’importe quel autre appareil LC cholestérique jusqu’ici signalé.

Une des applications importantes de la LCs cholestérique est écrans réfléchissants, dont le taux de consommation énergétique est beaucoup plus faible que les écrans classiques de LC. À cette fin, LCs cholestérique devrait changer sa couleur de réflexion avec des stimuli électriques. Cependant, la plupart des méthodologies précédentes utilise une électrique de couplage entre les stimuli électriques appliquées et les molécules de LC hôte, nécessitant une haute tension plus de 40 V^{24,25,26,27 ,},²⁸. Pour l’utilisation de la dopant électriquement réactif chiral, il y a seulement quelques exemples^29,30 dont nos précédents travaux³¹, qui requiert également la haute tension avec une vitesse de réponse faible. Compte tenu de ces œuvres précédentes, la performance de notre ^FcD-dopé périphérique de LC cholestérique, surtout pour la rapidité de modulation de couleur rapide (0,4 s) et basse tension d’alimentation (1,5 V), est une réalisation novatrice qui peut grandement contribuer au développement d’écrans réfléchissants de prochaine génération. Dans ce protocole détaillé, nous démontrons les procédés de fabrication et les modalités de fonctionnement du prototype cholestériques LC de périphériques d’affichage.

Protocole

1. préparation de la bouillie de LC cholestérique

1. Ajouter 84,6 de 5OCB et 5,922 mg de ^FcD¹⁹ (3,1 % de mol de 5OCB) dans un flacon de verre propre de 10 mL.
2. Ajouter 12,9 mg de EMIm-OTf et 10 mL de dichlorométhane (CH₂Cl₂) dans un nouveau flacon de verre propre de 10 mL et bien mélanger. Transférer 2,1 mL de la solution de l’EMIm-la FTO dans les 5OCB - et ^FcD-contenant des fioles en verre. Agiter doucement le flacon pour laisser tous les composants bien mélanger.
3. Couvrir le flacon en verre avec une feuille d’aluminium et faire plusieurs trous dans la partie supérieure.
4. Faire chauffer la solution ci-dessus de₂Cl₂ CH contenant 5OCB, ^FcD (mol de 3,1 % à 5OCB) et les EMIm-OTf (mol 3,0 % 5OCB) à 80 ° C sous une hotte ventilée. Après 60 min, la plupart des CH₂Cl₂ se soit évaporée. Cette procédure est importante afin d’assurer un mélange homogène des composants.
5. Évaporer le restant CH₂Cl₂ sous pression réduite (~5.0 Pa) par huile pompe à vide rotative à 80 ° C pendant 60 min dans la hotte ventilée afin d’obtenir un mélange clair orange de LC.

2. préparation de la cellule de type "sandwich" de verre ITO

1. Nettoyage de la dénonciation de verre enduit
   1. Couper un verre à motifs de ITO (10 cm x 10 cm, résistance : 30 ~ Ω), qui contient 100 pièces d’une électrode désignée à une taille plus petite (10 x 10 mm) par une coupe de verre à pointe de diamant, alors qu’une seule pièce inclut un modèle de l’électrode. Toujours vérifier la résistance de la surface du verre de savoir de quel côté s’inspire avec ITO en utilisant, par exemple, un multimètre numérique (ITO à motifs côté a une résistance faible).
   2. Couper un verre entièrement ITO enduit (10 cm × 10 cm, résistance : 30 ~ Ω) à une taille plus petite (10 x 12 mm) par une coupe de verre à pointe de diamant. Encore une fois, vérifiez la résistance de la surface du verre de savoir de quel côté est recouvert d’ITO.
   3. Préparer une solution de lavage en 60 mL de Extran MA01 et 240 mL d’eau ultrapure dans un récipient en verre (~ 500 mL) de mélange. Trempage de ce qui précède a préparé ITO plaques de verre dans la solution de fond de telle façon que la surface de chaque plaque de verre ne touche pas entre eux. En cas de lavage de nombreuses plaques de verre de ITO, il est recommandé d’utiliser un appui (p. ex., brosse de shampooing).
   4. Mettre les plaques de verre ITO contenant du navire dans un bain à ultrasons et ultrasons il pendant 30 min. Après décantation au large de la solution de lavage, rincer le récipient contenant des plaques de verre ITO en 200 mL d’eau ultrapure pour trois fois.
   5. Ajouter 300 mL d’eau ultrapure et laisser agir le navire pendant 20 min. Ensuite, enlevez l’eau par décantation. Répétez ce cycle de lavage à l’aide de l’eau ultrapure pour trois fois. Pour chaque cycle de lavage, vérifier l’arrangement l’ITO de plaques de verre dans le récipient afin que les surfaces des plaques ne sont pas attachés à un autre.
   6. Après avoir terminé le cycle de lavage, sécher les plaques de verre de ITO un via le flux de gaz d’azote. Pour mettre les plaques de verre ITO le propre place, garder la surface de ITO vers le haut afin d’éviter tout dommage ou la contamination de la surface.
2. Fabrication de la PEDOT⁺ enduit plaque de verre de ITO
   1. Poser le flacon de verre contenant une solution de nitrométhane de poly(3,4-ethylenedioxythiophene) -co-poly (éthylène glycol) dopé au perchlorate (PEDOT⁺, 0,7 % en poids) dans un bain à ultrasons et laisser agir pendant 60 min obtenir une solution bien dispersée.
   2. Place l’ITO entièrement enduit plaque de verre sur la coiffe de la coucheuse spin avec le poteau face à surface ITO. Souffler la poussière de la surface de ITO à l’aide d’une soufflette azote. Transvaser avec soin 50 µL de solution PEDOT⁺ fraîchement traité aux ultrasons la pipette.
   3. Fabriquer le film PEDOT⁺ en faisant tourner la plaque à un taux de 1000 tr/min pendant 60 s dans les conditions ambiantes (~ 25 ° C, humidité : ~ 45 %). Gardez le PEDOT⁺ revêtus de plaques de verre ITO à la température ambiante pendant 1 h sans cuisson.
3. Fabrication de la cellule de verre ITO
   1. Souffler la poussière des plaques de verre ITO à motifs à l’aide d’une soufflette azote.
   2. Frotter le visage ITO les plaques de verre (10 x 10 mm) avec tissu de rayonne soigneusement à l’aide d’une machine de frottement. Pendant tout le processus, utilisez une soufflette azote pour éviter la contamination des poussières.
   3. Effectuer les procédures suivantes dans un endroit qui peut éviter la contamination des poussières, idéalement dans une salle blanche.
   4. Bien mélanger une goutte d’un adhésif optique et une quantité de riz taille des perles de verre.
   5. Posez le PEDOT⁺ enduit sur plaque de verre sur la table avec le poteau face à surface PEDOT⁺ ITO. Mettre une très petite quantité de mélange adhésif sur le PEDOT⁺ enduit plaque de verre ITO, où les quatre coins de la dénonciation à motifs viennent de plaque de verre.
   6. Mettre la plaque de verre de ITO ITO à motifs verre plat sur le PEDOT⁺ enduit de telle sorte que les surfaces d’ITO des deux plaques de verre rencontrent entre eux pour fabriquer une cellule. Poussez doucement les quatre coins de la cellule. Confirmer une lacune cellulaire uniforme par la disparition d’un modèle de frange à la surface de la cellule.
   7. Irradier la cellule de verre ITO ci-dessus avec une lampe de 365 nm UV pendant 20 s pour renforcer l’adhérence.
   8. Faire chauffer la cellule ci-dessus sur une scène chaude à 100 ° C pendant 3 h à continuer de renforcer l’adhérence.
   9. Raccorder deux fils conducteurs à chacun de la région d’ITO des plaques de verre dans la cellule par soudure ultrasonique.

3. expériences de modulation de couleur

1. Introduction du mélange LC cholestérique dans la cellule de verre ITO pour la fabrication de l’appareil de LC
   1. Pour gérer facilement, fixer les fils de ce qui précède préparé verre cellulaire à une lame de microscope avec un ruban isolant.
   2. Chauffer le flacon en verre contenant le mélange de LC cholestérique à 80 ° C pendant 10 à 15 min sur une scène chaude. Également la chaleur l’ITO glass cell et une spatule, ce qui est utilisée pour transférer l’échantillon, à la même température.
   3. Transférer une petite quantité du mélange chaud cholestérique LC à l’aide de la spatule chauffée rapidement à l’écart de deux plaques de verre ITO de la cellule. Combler le fossé entre les deux plaques de verre par capillarité, qui prend environ 60 s.
   4. Abaisser la température de la phase chaude afin que la température de la cellule atteint 37 ° C.
   5. Appuyer sur le centre de l’appareil pour pièce couleur de réflexion lumineuse.
2. Expériences de modulation de la couleur à l’aide d’un microscope optique numérique.
   1. Appliquer + 1,5 et 0 V en alternance à l’appareil de LC pour 4 s et 8 s, respectivement, en utilisant un potentiostat à 37 ° C. Les valeurs de tension sont définis pour les non-PEDOT⁺-électrode enrobée de ITO en référence que pour PEDOT⁺-électrode enrobée de ITO dans l’appareil. Observez et le changement de couleur du périphérique LC par microscope optique numérique.
3. Expériences de modulation de couleur par spectrométrie
   1. Utilisez les paramètres suivants de la configuration du spectrophotomètre UV-visible : mode photométrique : %T, réponse : rapide, bande passante : 1,0 nm, vitesse de numérisation : 2 000 nm/min, plage de balayage : 800 à 300 nm
   2. Pour la mesure de référence, placez la scène chaude dans le spectrophotomètre sans le dispositif de LC. Assurez-vous que le trou d’observation est correctement placé dans le chemin optique du spectrophotomètre et l’angle d’incidence est de 0°. Contrôler la valeur de la transmission en temps réel à une certaine longueur d’onde dont la valeur est maximisée en ajustant la mise en place de la phase chaude. Puis départ pour la mesure de référence.
   3. Placer le dispositif de LC dans cette scène chaude et puis, placer la scène chaude à la position appropriée dans une même façon tel que décrit à la section 3.3.2. Démarrez la mesure, puis enregistrez le spectre.
   4. Appliquer + 1,5 V pour 4 s et démarrer la mesure. Après la mesure, appliquer 0 V pour 8 s et, encore une fois, démarrer la mesure.
   5. Appliquer + 1,5 et 0 V en alternance pour 100 fois à l’appareil de LC pour 4 s et 8 s, respectivement, en utilisant un potentiostat. Transmittance record à une longueur d’onde désigné (510 nm) pendant les cycles d’application de tension.

Résultats

Photographies, les spectres de transmittance et facteur de transmission dépendant de temps changent des profils à 510 nm sont collectées pour le dispositif de LC contenant ^cfD-dopé (3,1 mol%) LC cholestérique en présence de l’EMIm-OTf (3,0 mol %) pendant les cycles d’application de tension comprise entre 0 et + 1,5 V à 37 ° C.

Le mélange de LC ^Fc...

Discussion

À la demande de + 1,5 V vers le haut électrode ITO (Figure 1C), ^FcD subit une réaction d’oxydation pour générer des ^FcD⁺. Comme la puissance de torsion hélicoïdale de ^FcD⁺ (101 µm^-1, Figure 1B)...

matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
1-Ethyl-3-methylimidazolium Trifluoromethanesulfonate, 98%	TCI	E0494
4-Cyano-4'-pentyloxybiphenyl, 98%	TCI	C1551
Diamond tipped glass cutter	AS ONE	6-539-05
Dichloromethane, 99.5%	KANTO CHEMICAL	10158-2B	HPLC grade
Differential Scanning Calorimeter	METTLER TOLEDO	DSC 1
Digital microscope	KEYENCE	VHX-5000
Extran MA01	Merck	107555
Fully ITO-coated glass plate			Costum order, Resistance: ~30Ω
Glass beads	Thermo Fisher Scientific	9005	5 ± 0.3 μm in diameter
Hot stage	INSTEC	mK1000
ITO-patterned glass plate			Costum order, Resistance: ~30Ω
Oil rotary vacuum pump	SATO VAC	TSW-150	Pressure: ~5 Pa
Optical adhesive	Noland	NOA81
Poly(3,4-ethylenedioxythiophene), bis-poly(ethyleneglycol), lauryl terminated	Sigma Aldrich	687316	0.7 wt% (dispersion in nitromethane)
Potentiostat	TOHO TECHNICAL RESEARCH	PS-08
Rubbing machine	EHC	MRJ-100S
Spectrophotometer	JASCO	V-670 UV/VIS/NIR
Spin coater	MIKASA	1H-D7
Ultrapure water	Merck	Milli-Q Integral 3
Ultrasonic bath	AS ONE	ASU-2	Power: 40 W
Ultrasonic soldering	KURODA TECHNO	SUNBONDER USM-IV
UV lamp	AS ONE	SLUV-4	Power: 4 W