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May 03, 2023

Una simulazione della finestra intelligente a cristalli liquidi diffrattivi per l'applicazione della privacy

Scientific Reports volume 12,

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 11384 (2022) Citare questo articolo

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Utilizzando un singolo substrato, dimostriamo una semplice cella a reticolo di fase bidimensionale (2-D) con un elettrodo octothorp. A causa della grande differenza di fase spaziale in qualsiasi direzione, la cella del reticolo proposta ha un elevato valore di opacità allo stato opaco (76,7%); Inoltre, presenta i vantaggi di una cella a reticolo di fase unidimensionale (1-D), come elevata fabbricabilità, tempi di risposta rapidi e bassa tensione operativa. Inoltre, la cella a reticolo proposta ha un tempo di risposta più rapido rispetto alla cella a reticolo 2-D (paragonabile a una cella a reticolo 1-D). Tutti i parametri elettro-ottici sono stati calcolati utilizzando uno strumento di modellazione commerciale. Di conseguenza, ci aspettiamo che la nostra cella a reticolo proposta trovi applicazioni nei sistemi di realtà virtuale (VR)/realtà aumentata (AR) o nelle vetrine con tempi di risposta rapidi.

È stato segnalato che le finestre intelligenti controllano la trasmittanza della luce solare e del calore solare nei dispositivi elettrocromici, fotocromici, termocromici, con particelle sospese e cristalli liquidi (LC)1,2,3,4,5,6,7,8,9,10. I dispositivi LC beneficiano in particolare di un tempo di risposta rapido e della capacità di regolare la diffusione, l'assorbimento o la riflessione della luce, mentre altre finestre intelligenti possono controllare solo l'assorbimento della luce11,12,13,14,15,16,17,18,19,20, 21,22,23,24,25. Le finestre LC possono essere utilizzate in applicazioni di privacy, realtà aumentata (AR), realtà virtuale (VR) e display trasparenti controllando la diffusione della luce26,27,28. Strutture polimeriche, droganti chirali e ioni nelle LC possono essere utilizzati per indurre la diffusione della luce. Tuttavia, questi dispositivi presentano alcune limitazioni, tra cui alta tensione operativa, tempi di risposta lenti e mancanza di affidabilità23,29.

Per superare questi inconvenienti, sono stati sviluppati dispositivi con griglia LC per finestre intelligenti30,31,32,33,34,35. Sebbene la diffrazione della luce utilizzando un reticolo di fase LC non sia la stessa cosa della diffusione della luce, ha lo stesso impatto sul controllo della foschia. Presentano diversi vantaggi in termini di controllo della foschia, tra cui riduzione della foschia e ampio angolo di visione in condizioni trasparenti, bassa tensione operativa e tempi di risposta rapidi. Tuttavia, a causa del basso valore di opacità pari al 51%, non sono ampiamente utilizzati nelle applicazioni unidimensionali (1-D)31,32. Per superare questo inconveniente, sono stati proposti dispositivi a reticolo di fase LC bidimensionali (2-D), costituiti da substrati superiore e inferiore con elettrodi interdigitati incrociati33,34,35. Avevano un valore di foschia dell'83,8%, che è piuttosto alto. D'altra parte, le celle a reticolo 2-D presentano seri inconvenienti, tra cui un tempo di risposta di spegnimento lento, un'elevata tensione operativa e una fabbricazione problematica a causa della difficoltà di abbinare perpendicolarmente gli elettrodi interdigitati superiore e inferiore nella pratica.

In questo studio, mostriamo una semplice cella a reticolo di fase LC 2-D con un elettrodo octothorp su un singolo substrato. La cella a reticolo proposta ha un elevato valore di opacità allo stato opaco (76,7%) a causa di una sostanziale differenza di fase spaziale indipendente dall'angolo azimutale, pur avendo vantaggi della cella a reticolo 1-D, come facile fabbricazione, tempi di risposta rapidi e bassa tensione operativa. La cella reticolare proposta può essere utilizzata in sistemi VR/AR o vetrine che richiedono una risposta rapida.

Abbiamo stimato le caratteristiche elettro-ottiche della cella del reticolo LC utilizzando il programma di modellazione commerciale TechWiz LCD 3D (Sanayi System Co., Ltd., Corea). Un elettrodo comune, uno strato di passivazione e un elettrodo modellato sul substrato inferiore sono mostrati in Fig. 1a come rappresentazione della cella a reticolo proposta. Le tracce verticali e orizzontali dell'octothorp sono interconnesse. Le molecole LC iniziali allineate verticalmente vengono inclinate verso il basso lungo le direzioni del campo elettrico utilizzando un elettrodo octothorp modellato (Fig. 1b), determinando una sostanziale differenza di fase spaziale lungo le direzioni verticale e orizzontale. Inoltre, a causa dell'effetto di diffrazione generato dalla significativa differenza di fase spaziale, la cella del reticolo proposta potrebbe essere commutata in uno stato opaco. Le linee nere tratteggiate indicano la parete virtuale in cui le LC non si orientano e agiscono come una parete polimerica (Fig. 1a).