迅速かつ低電圧の色変調のため電気化学コレステリック液晶結晶デバイス

要約

迅速かつ低電圧操作を許可する酸化還元応答性キラル不純物の提示を含む反射コレステリック液晶液晶表示デバイス作製のためのプロトコル。

要約

アクティブなコンポーネントとしてコレステリック液晶 (LC) を含むプロトタイプ反射型表示デバイスを製造する方法を紹介します。コレステリック液晶はネマティック液晶の分子 4'-pentyloxy-4-シアノビフェニル (5OCB)、酸化還元応答性キラル不純物 (^FcD)、支持電解質 1-エチル-3-メチルイミダゾリウム トリフルオロメタンスルホナート (EMIm OTf) で構成されます。最も重要なコンポーネントは、 ^FcDです。この分子は、酸化還元反応に応答力 (HTP) そのヘリカルねじれの値を変更します。したがって、液晶混合物における in-situ 電気化学的酸化還元反応電気刺激に対する応答の反射色の変化をデバイスを可能にします。液晶混合物はサンドイッチ型伊藤ガラス セルにパターン化インジウムの錫の酸化物 (ITO) 電極に 2 つのガラス スライドを含む poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-coを被覆した 1 つに毛管作用によって導入された-ポリ (エチレンエチレング リコール) は、過塩素酸塩 (PEDOT⁺) をドープしました。1.5 V のアプリケーション、デバイスの反射色が青から変更 (467 nm) 緑 (485 nm) 0.4 s. その後の 0 V のアプリケーションは 2.7 で元の青の色を回復装置を作った s。このデバイスは、その最速の電気応答によって特徴づけられる、間での最低動作電圧は以前コレステリック液晶デバイスを報告します。このデバイスは、低エネルギー消費量を次世代の反射型ディスプレイの開発の道を開く可能性があります。

概要

コレステリック液晶 (LCs) は、内部の螺旋分子の配列^1,2,3,4のため明るい反射色を展示する知られています。反射波長λは、 Pと屈折率の平均指数n LC のヘリカル ピッチによって決まります (λ = nP)。キラル添加によるそのような LCs を生成ことができますネマティック (キラル化合物) 化合物とヘリカル ピッチP方程式によって定義されます = 1/β_MCβ_Mが螺旋捻転力 (HTP)、 Cは臼歯部キラル不純物の割合です。この概念は、さまざまな光^5,6,7、8熱⁹磁場の¹⁰、およびガス^{11 などの刺激に対応できる様々 なキラル化合物に基づく}してきた。このようなプロパティは、センサー¹²とレーザー^13,14,15他の中などのさまざまな役立つ可能性^16,17,18.

近年, 我々 は最初の酸化還元応答性キラル ドーパント レドックスの反作用への応答で、HTP の値を変えることができる^FcD (図 1A)¹⁹ .^FcDは、可逆的な酸化還元反応^20,21,22を受けることができる、フェロセン単位と高 HTP 値²³を展示する知られているビナフチル ユニットで構成されます。^FcD、支持電解質の存在下でドープしたコレステリック液晶が元の色 2.7 0.4 s とリカバリ内の反射色を変更できます +1.5 と 0 V の電圧印加時に s それぞれ。高速応答・低電圧動作のデバイスが他のコレステリック液晶デバイス間で前例のないこれまでのところ報告を観察しました。

コレステリック LCs の重要な用途の 1 つは反射形表示、エネルギー消費率が、従来の液晶ディスプレイよりもはるかに低いのです。このため、コレステリック LCs 電気刺激の反射色が変化。ただし、以前の方法論のほとんどを利用して、電気的結合応用電気刺激とホスト LC 分子の高電圧を必要とする以上 40 V^{24,25,26,27 ,28}。電気的応答性キラル ドーパント用のみ少数例^29,30を含む私たち以前作品³¹、また低応答速度と高電圧を必要とするがあります。これらの以前の作品は、当社の^FcDのパフォーマンスを考慮した-特に高速カラー変調速度のため、コレステリック液晶デバイスのドープ (0.4 s) は、低電圧 (1.5 V) が大幅にことができます画期的な成果次世代の反射型ディスプレイの開発に貢献します。この詳細なプロトコル、作製プロセスおよびプロトタイプ コレステリック液晶表示装置の操作手順を示す.

プロトコル

1. コレステリック液晶混合物の調製

1. クリーン 10 mL バイアルに 5OCB の 84.6 mg と^FcD¹⁹ (5OCB 3.1 mol %) の 5.922 の mg を追加します。
2. 新しいきれいな 10 mL バイアルに 12.9 mg EMIm OTf、ジクロロ メタン (CH₂Cl₂) 10 mL を加え、よく混ぜます。5OCB ・ ^FcDEMIm OTf ソリューションの 2.1 mL に転送-ガラスの瓶を含みます。よく混ぜてすべてのコンポーネントにバイアルを軽く振る。
3. アルミ箔をガラスの瓶をカバーし、上部にいくつかの穴を作る。
4. 上記 CH₂Cl₂液 5OCB、 ^FcD (5OCB 3.1 mol %) と EMIm OTf (5OCB 3.0 mol %) を換気フードの 80 ° c の熱します。60 分後、CH₂Cl₂のほとんどは蒸発しました。この手順は、コンポーネントの均一混合することが重要です。
5. 残り CH₂Cl₂ 60 分 80 ° C で油回転真空ポンプによる減圧 (~5.0 Pa) の下のクリア オレンジ液晶混合物を得るに換気フードを蒸発させます。

2. サンドイッチ型 ITO ガラス電池の準備

1. ガラスをコーティング洗浄、伊藤の手順
   1. Ito パターンをカット (10 cm × 10 cm、抵抗: 30 ~ Ω)、ワンピースには、電極のパターン 1 つにはが含まれていますのでダイヤモンド先端ガラス カッターで 100 個の小型 (10 mm × 10 mm) に指定された電極を含みます。たとえば、デジタル マルチ メーター (模様伊藤側は、低抵抗を持っている) を使用して、伊藤とどっちをパターンを知っているガラスの表面の抵抗を常にチェックします。
   2. 完全に ITO ガラスをカット (10 cm × 10 cm、抵抗: 30 〜 Ω) ダイヤモンド先端ガラス カッターで小さいサイズ (10 x 12 mm) に。もう一度、伊藤でコーティングされ、どちらの側を知っているガラスの表面の抵抗を確認します。
   3. Extran MA01 とガラス容器 (~ 500 mL) における超純水 240 mL 60 mL を混ぜて洗濯ソリューションを準備します。上記のガラス板の表面は互いに触れないような方法で徹底的にソリューションに ITO ガラス板を準備を浸します。多くの伊藤ガラス プレートを洗浄の場合は、いくつかのサポート (例えば、シャンプー ブラシ) を使用することをお勧めします。
   4. 超音波風呂に容器含む ITO ガラス板を入れ、30 分間超音波。洗浄液をデカント後、3 回 200 mL の純水で伊藤のガラス板を含む容器をすすぎます。
   5. 300 mL の超純水水を追加し、20 分の容器を超音波照射します。その後、デカンテーションによって水を削除します。3 倍の純水を使用してこの洗浄サイクルを繰り返します。プレートの表面が互いに接続されていないので、各洗浄サイクルの船伊藤のガラス板の配置を確認します。
   6. 終了後洗濯サイクル乾燥窒素ガスの流れから伊藤ガラス板一つずつです。伊藤ガラス板を配置する場合きれいな場所、いかなる損害または表面の汚染を避けるために上向き ITO 表面を維持します。
2. PEDOT⁺の作製コーティング伊藤ガラス プレート
   1. Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-coのニトロメタン溶液が入ったガラスの瓶を置く-過塩素酸塩 (PEDOT⁺0.7 wt %) をドープしたポリ (エチレング リコール)超音波風呂によく分散したソリューションを取得する 60 分のためにそれを超音波と。
   2. 場所完全に伊藤はコーティングに ITO 表面に直面して直立スピンコーターの回転子のガラス プレートです。窒素ブロー銃を用いた ITO 表面のほこりを吹き飛ばします。慎重にピペットで新鮮な熱量の PEDOT⁺ソリューションの 50 μ L を転送します。
   3. 60 の 1000 rpm の速度でプレートを回して PEDOT⁺フィルムを作製周囲条件下で s (~ 25 ° C、湿度: ~ 45%)。維持 PEDOT⁺ベーキングなし 1 h の周囲条件下で伊藤ガラス プレートにコーティング。
3. 伊藤ガラス セルの作製
   1. 窒素ブロー銃を使用してパターン ITO ガラス板からほこりを吹き飛ばします。
   2. ラビング装置を使用して徹底的にレーヨン布でガラス プレート (10 mm × 10 mm) の伊藤の顔をこする。全体のプロセス中に粉塵の汚染を避けるために窒素ブロー銃を使用します。
   3. 理想的にはクリーン ルーム内の粉塵の汚染を避けることができる場所には、次の手順を実行します。
   4. 光学接着剤とガラス製のビーズの米大の量のドロップを徹底的にミックスします。
   5. PEDOT⁺をレイダウンは伊藤 PEDOT⁺の表面に直面する直立とテーブルの上のガラス コーティング。PEDOT⁺の上に接着剤の混合物の非常に少量を入れてコーティング、伊藤の 4 つのコーナーがガラス板来るパターン化された伊藤ガラス プレートです。
   6. 2 枚のガラス板の ITO 表面にセルを製造するために互いに直面しているような方法でパターン ITO ガラス コーティング プレート PEDOT⁺を伊藤ガラス板を置きます。セルの四隅を軽く押します。細胞の表面で観測されたフリンジ パターンの消失によって均一な細胞のギャップを確認します。
   7. 上記伊藤ガラスセルを 20 の 365 nm の紫外線ランプで照射接着を強化します。
   8. 上記のセルを熱接着を強化継続する 3 h の 100 ° C での熱いステージ上。
   9. 超音波はんだ付けによる、それぞれのセルにガラス板の伊藤エリアに 2 つの導体配線を接続します。

3. 色変調実験

1. コレステリック液晶混合物の LC 素子の作製用伊藤ガラス細胞への導入
   1. 簡単に処理するため、絶縁テープで顕微鏡のスライド ガラスのセルを用意して上記の線を修正します。
   2. 熱熱いステージで 10 〜 15 分で 80 ° C でコレステリック液晶混合物を含むガラスの瓶。また熱伊藤ガラス セルと同じ温度で、サンプルを転送するために使用される、へら。
   3. セルの 2 つの ITO ガラス板のギャップにすぐに温水のヘラを使用してホット コレステリック液晶混合物の少量を転送します。〜 60 をとる毛管作用によって 2 枚のガラス板との間のギャップを埋める s。
   4. 電池の温度 37 ° C に達すると、熱いステージの温度を下げる
   5. 明るい反射色を展示するデバイスの中央を押してください。
2. デジタル光学顕微鏡による変調実験を色します。
   1. +1.5 と 0 V またはデバイスに適用する LC 4 s と 8 s は、37 ° C で、ポテンショスタットを用いて、それぞれ非 PEDOT⁺の電圧値が定義されて-PEDOT⁺の参考にするコーティングの ITO 電極-デバイスでコーティングされた ITO 電極。観察し、デジタル光学顕微鏡を用いた液晶デバイスの色の変化を記録します。
3. 分光色変調実験
   1. 次の紫外可視分光光度計のセットアップ パラメーターを使用: 測光モード: %t、応答: 高速帯域幅: 1.0 nm、スキャン速度: 2,000 nm/分、スキャン範囲: 300 に 800 nm
   2. ベースライン測定分光光度計 LC 装置なしに熱いステージを配置します。観測孔は分光光度計の光路として適切に配置し、入射角が 0 ° を確保します。透過値を監視ホット ステージの配置を調整することで値が最大化されるある特定の波長でリアルタイム。ベースライン測定を開始します。
   3. このホットの段階に LC デバイスを置き、3.3.2 節の説明に従って、同じ方法で適切な位置に熱いステージを配置します。測定を開始し、スペクトルを記録します。
   4. 4 s と開始の 1.5 V を適用、測定。8 s は、もう一度、開始 0 V を適用、測定後、測定。
   5. +1.5 と 0 V または 100 回のデバイスに適用する LC 4 s と 8 s、ポテンショスタットを用いて、それぞれ。特定の波長でレコードの透過率 (510 nm) 電圧アプリケーション サイクル中にします。

結果

写真、分光透過率をおよび時間依存の透過率変更プロファイルが、510 で^FcDを含む液晶デバイスの nm を収集-ドープ (3.1 mol %)EMIm OTf (3.0 mol %) 存在下でコレステリック液晶0 ~ 37 ° C で 1.5 V の電圧アプリケーション サイクル中に

^FcD (3.1 mol %)、EMIm O...

ディスカッション

1.5 V 上部 ITO 電極 (図 1C) を申請により^FcDは^FcD⁺を生成する酸化反応を受けます。^FcD⁺ (101 μ m^-1図 1B) のヘリカルねじれ力は^Fc

資料

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