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Apr 29, 2023

Une simulation de fenêtre intelligente à cristaux liquides diffractive pour une application de confidentialité

Rapports scientifiques volume 12,

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 11384 (2022) Citer cet article

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À l'aide d'un seul substrat, nous démontrons une simple cellule de réseau de phase bidimensionnelle (2-D) avec une électrode octothorp. En raison de la grande différence de phase spatiale dans n'importe quelle direction, la cellule de réseau proposée a une valeur de trouble élevée à l'état opaque (76,7 % ); De plus, il présente les avantages d'une cellule à réseau de phase unidimensionnel (1-D), tels qu'une fabricabilité élevée, un temps de réponse rapide et une faible tension de fonctionnement. De plus, la cellule de réseau proposée a un temps de réponse plus rapide que la cellule de réseau 2-D (comparable à une cellule de réseau 1-D). Tous les paramètres électro-optiques ont été calculés à l'aide d'un outil de modélisation commercial. Par conséquent, nous nous attendons à ce que notre cellule de réseau proposée trouve des applications dans les systèmes de réalité virtuelle (VR)/réalité augmentée (AR) ou les vitrines avec des temps de réponse rapides.

Il a été rapporté que les fenêtres intelligentes contrôlent la transmission de la lumière du soleil et de la chaleur solaire dans les dispositifs électrochromiques, photochromiques, thermochromiques, à particules en suspension et à cristaux liquides (LC)1,2,3,4,5,6,7,8,9,10. Les appareils LC bénéficient en particulier d'un temps de réponse rapide et de la possibilité d'ajuster la diffusion, l'absorption ou la réflexion de la lumière, alors que d'autres fenêtres intelligentes ne peuvent contrôler que l'absorption de la lumière11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25. Les fenêtres LC peuvent être utilisées dans les applications de confidentialité, la réalité augmentée (AR), la réalité virtuelle (VR) et les écrans transparents en contrôlant la diffusion de la lumière26,27,28. Les structures polymères, les dopants chiraux et les ions dans les LC peuvent être utilisés pour induire la diffusion de la lumière. Cependant, ces appareils présentent certaines limites, notamment une tension de fonctionnement élevée, un temps de réponse lent et un manque de fiabilité23,29.

Pour surmonter ces inconvénients, des dispositifs de réseau LC ont été développés pour les fenêtres intelligentes30,31,32,33,34,35. Bien que la diffraction de la lumière à l'aide d'un réseau de phase LC ne soit pas la même que la diffusion de la lumière, elle a le même impact sur le contrôle du voile. Ils présentent divers avantages en termes de contrôle du voile, notamment un voile réduit et un large angle de vision dans des conditions transparentes, une faible tension de fonctionnement et un temps de réponse rapide. Cependant, en raison de la faible valeur de voile de 51 %, ils ne sont pas largement utilisés dans les applications unidimensionnelles (1-D)31,32. Pour surmonter cet inconvénient, des dispositifs de réseau de phase LC bidimensionnels (2-D), constitués de substrats supérieur et inférieur avec des électrodes interdigitées croisées, ont été proposés33,34,35. Ils avaient une valeur de brume de 83,8 %, ce qui est assez élevé. D'autre part, les cellules de réseau 2D présentent de sérieux inconvénients, notamment un temps de réponse lent, une tension de fonctionnement élevée et une fabrication problématique en raison de la difficulté d'adapter perpendiculairement les électrodes interdigitées supérieure et inférieure dans la pratique.

Dans cette étude, nous démontrons une simple cellule de réseau de phase LC 2-D avec une électrode octothorp sur un seul substrat. La cellule de réseau proposée a une valeur de voile élevée à l'état opaque (76,7 %) en raison d'une différence de phase spatiale substantielle indépendante de l'angle d'azimut, tout en ayant également des avantages de cellule de réseau 1-D, tels qu'une fabrication facile, un temps de réponse rapide et une faible tension de fonctionnement. La cellule de réseau proposée peut être utilisée dans les systèmes VR/AR ou les vitrines qui nécessitent une réponse rapide.

Nous avons estimé les caractéristiques électro-optiques de la cellule de réseau LC à l'aide du programme de modélisation commercial TechWiz LCD 3D (Sanayi System Co., Ltd., Corée). Une électrode commune, une couche de passivation et une électrode à motifs sur le substrat inférieur sont illustrées sur la figure 1a en tant que représentation de la cellule de réseau proposée. Les pistes verticales et horizontales de l'octothorp sont interconnectées. Les molécules LC initiales alignées verticalement sont inclinées vers le bas le long des directions du champ électrique à l'aide d'une électrode octothorpe à motifs (Fig. 1b), ce qui entraîne une différence de phase spatiale substantielle le long des directions verticale et horizontale. De plus, en raison de l'effet de diffraction généré par la différence de phase spatiale importante, la cellule de réseau proposée pourrait être commutée dans un état opaque. Les lignes noires pointillées indiquent le mur virtuel où les LC ne s'orientent pas et agissent comme un mur de polymère (Fig. 1a).

Cellule de réseau LC proposée. (a) Structure cellulaire et vue de dessus des configurations du directeur LC. (b) Distribution du champ E (20 V). Distributions calculées des directeurs LC et profils de différence de phase dans (c) la direction x, (d) la direction y et (e) la direction diagonale.

Les figures 1c, d et e montrent les distributions de directeur LC calculées et les profils de différence de phase dans les directions verticale, horizontale et diagonale, respectivement, tout en appliquant un champ électrique (15 V). Étant donné que l'électrode octothorp est produite sur le substrat inférieur, la cellule de réseau LC proposée présente une différence de phase spatiale substantielle dans les directions verticale, horizontale et diagonale. Étant donné que davantage de molécules LC sont réorientées dans la direction du champ électrique appliqué en raison de l'électrode octothorpe, la cellule de réseau suggérée présente la même différence de phase spatiale dans la direction diagonale que dans la direction verticale ou horizontale, comme le montre la Fig. 1c – e. Lorsqu'un champ électrique est fourni à la cellule LC dans cette cellule de réseau, une différence de phase spatiale substantielle est créée indépendamment de l'angle d'azimut. En conséquence, lorsque la lumière blanche pénètre dans la cellule LC, elle est diffractée, permettant à la cellule LC d'être commutée vers un état opaque approprié en raison d'une différence de phase spatiale substantielle, quel que soit l'angle d'azimut.

Pour réaliser l'objectif de cette étude, la cellule de grille proposée possède les caractéristiques de l'alignement vertical, de la LC nématique positive (comme E7, Merck) (anisotropie diélectrique Δε = 13,8, indices de réfraction NO = 1,52 et NE = 1,75, constants élastiques K11, K22 et K33 sont 10,3, 7.4 et 16.5 pn, et otores. La largeur, la longueur et l'espacement des cellules de l'électrode à motifs étaient respectivement de 2,8, 4 et 20 µm. De plus, nous définissons les options TechWiz LCD 3D, telles qu'un angle de pré-inclinaison, un angle d'azimut et une longueur d'onde à 90°, 0° et 543,5 nm, respectivement ; de plus, nous avons utilisé une méthode d'analyse optique avec une matrice de Jones étendue 2 × 2. L'intensité du champ lointain a été détectée à l'aide d'une photodiode située à 30 cm de la cellule LC.

La figure 2a montre les images POM de la cellule de réseau proposée avec des polariseurs croisés à différentes tensions appliquées. Pour vérifier le sens de rotation des LC, une lame pleine onde (45°) a été insérée entre les polariseurs croisés. Lorsque la tension a été augmentée, la luminosité (retard) de la plupart des régions a augmenté, tandis que la luminosité (retard) du mur virtuel est restée constante, ce qui a entraîné une différence de phase spatiale30,31,32,33,34,35. En raison de la fluctuation spontanée de la différence de phase, les motifs de défauts créés fonctionnaient bien comme réseaux de diffraction 2D36. Des motifs de diffraction verts ont été détectés sur un écran sombre lorsqu'un faisceau laser non polarisé (543,5 nm) traversait la cellule LC (Fig. 2b). Étant donné que la majeure partie de l'énergie laser est dirigée vers des ordres supérieurs, l'intensité de l'ordre zéro est considérablement réduite, quelle que soit la direction de polarisation. Nous pouvons observer que l'énergie de diffraction est bien transportée de l'ordre zéro aux ordres supérieurs, quelle que soit la direction de polarisation. En raison de la différence de phase spatiale importante, nous pouvons nous attendre à ce que la cellule de réseau proposée avec une électrode octothorpe passe à un excellent état opaque, quel que soit l'angle d'azimut.

( a ) Images POM du réseau proposé avec polariseurs croisés et plaque pleine onde. (b) Diagramme de diffraction du réseau proposé à différentes tensions appliquées de 0 à 20 V.

Les valeurs de trouble des cellules de réseau LC ont été calculées pour déterminer leur trouble. Pour évaluer les performances optiques, nous avons introduit la transmission et le voile total, spéculaire et diffus. La transmission spéculaire [diffuse] Ts [Td] fait référence au rapport de la puissance du faisceau qui émerge d'une cellule d'échantillon, qui est parallèle (dans une petite plage d'angles de 2,5°) [non parallèle] à un faisceau entrant dans la cellule, à la puissance transportée par le faisceau entrant dans l'échantillon. La transmission totale Tt est la somme de la transmission spéculaire Ts et de la transmission diffuse Td. Le voile H peut être calculé comme H = Td/Tt. Dans notre calcul, la transmittance spéculaire a été calculée en intégrant l'intensité avec une plage de 2,5° comme le montre la Fig. 3. Le Td a été calculé par la différence entre Tt et le Ts.

Condition de calcul pour la valeur de voile des cellules de réseau.

À une tension appliquée de 10 V, la cellule de réseau 1-D avait un voile de 51, 2%, tandis que la cellule de réseau octothorpe avait un voile plus élevé de 76, 7%, comme le montre la figure 4a. C'est parce que la cellule de réseau octothorpe a une différence de phase spatiale beaucoup plus grande, indépendante de l'angle d'azimut. Les cellules de réseau octothorp représentaient des valeurs de trouble 25,5 % plus élevées que la cellule de réseau 1-D. Ceci est comparable aux fenêtres intelligentes LC basées sur la diffusion de la lumière, telles que les cellules à cristaux liquides dispersés dans un polymère (PDLC) ou à cristaux liquides en réseau polymère (PNLC), qui ont été rapportées précédemment. Étant donné que la cellule LC proposée ne contient aucune matrice polymère, le voile à l'état opaque est principalement causé par la diffraction périodique du profil LC continu induite par le champ électrique de la lumière incidente blanche. Par conséquent, par rapport à d'autres fenêtres intelligentes LC, la cellule proposée offre des avantages tels qu'une faible dépendance à l'angle, une stabilité élevée, une faible tension de fonctionnement, un temps de réponse rapide et une facilité de fabrication. En utilisant l'analyse d'image dans TechWiz LCD 3D, nous avons estimé les images des cellules de réseau LC placées sur du papier imprimé (logo KNU) à différentes tensions appliquées. Lorsqu'une tension de 15 V a été appliquée, les deux cellules du réseau sont devenues opaques. Les figures 4b et c montrent que la cellule de réseau proposée était plus floue que la cellule de réseau 1-D.

( a ) Valeurs de trouble de la cellule de réseau 1-D et de la cellule de réseau octothorp. Les images calculées des cellules de réseau (b) 1-D et (c) de réseau octothorp avec le logo KNU.

Un temps de réponse rapide est l'une des exigences les plus importantes pour les applications de vitrine. Le comportement de commutation dynamique de la cellule LC proposée a été étudié (Fig. 5). La cellule de réseau proposée avait un temps de réponse total de 7,57 ms, ce qui est nettement plus rapide que les fenêtres intelligentes LC existantes, y compris les cristaux liquides cholestériques, les cristaux liquides à réseau polymère et les cellules à cristaux liquides à dispersion polymère, qui ont des temps de réponse de plusieurs centaines de millisecondes19,37,38. En outre, les temps de réponse pour les cellules de réseau 1-D et 2-D ont été examinés. Le temps d'activation [désactivation] calculé pour les cellules de réseau 1-D, 2-D et octothorpe était de 2,23 ms [3,56 ms], 3,23 ms [18,6 ms] et 3,79 ms [3,78 ms], respectivement. Les électrodes à motifs supérieure et inférieure ont été utilisées dans la cellule de réseau 2-D, l'électrode à motifs supérieure recevant une tension dans la direction x et l'électrode à motifs inférieure recevant une tension dans la direction y. En conséquence, les LC dans la région de masse de la cellule de réseau 2-D ont été formés dans une direction aléatoire, alors que la direction LC suggérée de la cellule de réseau avait une direction x et y en raison de l'électrode à motifs de fond unique.

Temps de réponse calculé des cellules de réseau LC (les cellules 1D, 2D et octothorp).

La cellule proposée peut créer un effet de réseau de phase 2D en se composant d'électrodes à motifs dans un seul substrat. Nous avons en outre démontré quelques autres dispositifs qui peuvent produire l'effet de réseau 2D avec des structures dans un substrat (les cellules de réseau de tache et de protrusion). La figure 6a montre des schémas de la cellule de réseau LC avec des électrodes octothorp et à motifs ponctuels et de la cellule de réseau en saillie sans électrodes à motifs. Les couleurs rouge, bleue et jaune de la figure 6a représentent respectivement une électrode à motifs, une électrode commune et un isolant. Par rapport à la cellule de réseau proposée, la cellule de réseau ponctuel consistait en une électrode à motif circulaire. L'électrode dans la cellule de réseau de points a été formée en échangeant les électrodes communes et à motifs, contrairement à la cellule de réseau proposée. La cellule de réseau en saillie a la même structure ponctuelle. Il convient de noter que la cellule de réseau en saillie n'utilise pas d'électrode à motifs.

Cellules de réseau LC avec électrode à motif octothorp et ponctuel et cellules de réseau en saillie sans électrode à motif. (a) Schéma des structures ; (b) images POM ; ( c ) Modèles de diffraction à la valeur de brume maximale.

La figure 6b montre des images POM de polariseurs croisés et d'une lame pleine onde (45 °) dans les mêmes conditions que sur la figure 2a. L'image POM de la cellule spot était légèrement différente de celle de la cellule octothorpe en raison de la formation de parois virtuelles supplémentaires. Cette différence se traduit par une diminution de moitié de la période effective33. Par conséquent, l'angle de diffraction de la cellule de réseau de points augmente en raison de la diminution de la période effective (Fig. 6c). Dans la cellule de réseau en saillie, qui n'utilise pas d'électrode à motifs, la direction du champ d'électrode est la même, quelle que soit la position. De plus, les LC près de la saillie forment un angle de pré-inclinaison, qui peut fournir une direction à d'autres LC dans la région de masse pour créer l'effet 2-D car les LC se sont couchés au hasard le long de la direction36,39. En augmentant la tension dans la cellule de réseau en saillie, nous pouvons observer que les LC environnants forment de nouveaux domaines en se trouvant dans une direction similaire, comme le montre la figure 6b. Il convient de noter que la taille du domaine peut être modifiée avec le temps et la tension appliquée, ce qui peut entraîner une faible fiabilité. Dans la cellule de réseau de protrusion, nous avons réduit la période nécessaire pour obtenir un effet de diffraction suffisant. Nous nous attendions à ce que la période réduite se traduise par un grand angle de diffraction ; cependant, l'angle de diffraction s'est avéré être réduit. Étant donné que les domaines LC n'ont pas été formés par le champ électrique de l'électrode à motifs, les LC en vrac ont suivi les LC près de la saillie, et les domaines ont été brisés et fusionnés par des défauts sonores36. Par conséquent, il avait une grande taille de domaine.

Nous avons calculé la valeur de voile des cellules de réseau LC à l'aide de la configuration expérimentale illustrée à la Fig. 3. Les valeurs de voile maximales des cellules de réseau proposées, ponctuelles et en saillie étaient de 76,7, 70,45 et 95,56 % à 12,5, 35 et 10 V, respectivement, comme illustré à la Fig. a), est plus grande que la cellule proposée. De plus, les profils de temps de réponse calculés des cellules de réseau de points et de protrusion. Le temps de réponse total est respectivement de 474,178 et 100 millisecondes. Dans le cas de la cellule de réseau ponctuel et en saillie, le temps de réponse est un temps de réponse très lent. Parce que la cellule de réseau de points a de nombreux LC en vrac par l'électrode à motif circulaire, et la cellule de réseau de saillie est commutée LC en utilisant un isolant et un angle de frottement sans l'électrode à motif.

Valeurs de voile calculées de la tache, de la saillie et des cellules de réseau proposées en fonction de la tension appliquée.

Nous démontrons les caractéristiques électro-optiques d'une cellule de réseau LC alignée verticalement avec une électrode octothorp pour les applications d'affichage de fenêtre. La cellule de réseau proposée montre un voile plus élevé que celui de la cellule de réseau 1-D en raison de la grande différence de phase spatiale dans toutes les directions. Notre cellule de réseau proposée présente l'avantage d'une fabricabilité élevée car la cellule de réseau proposée a croisé des électrodes interdigitées uniquement dans le substrat inférieur, une conduite facile, une faible consommation d'énergie et un temps de réponse rapide par rapport à la cellule de réseau 2-D (similaire à la cellule de réseau 1-D). Par conséquent, nous nous attendons à ce que notre cellule de réseau proposée ait diverses applications, telles que les dispositifs militaires, la réalité augmentée, les dispositifs de réalité virtuelle et les applications de fenêtre qui nécessitent une réponse rapide.

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de l'étude en cours sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Ce travail a été soutenu par la subvention de la National Research Foundation of Korea (NRF) financée par le gouvernement coréen (MSIP) (n° 2021R1I1A3052581).

Les auteurs suivants ont contribué à parts égales : Chan-Hee Han et Hyeonseok Eo.

Department of Electrical Information Communication Engineering, Kangwon National University, Samcheok, Gangwon, 25913, République de Corée

Chan-Hee Han et Seung-Won Oh

Département de génie électrique, POSTECH, Pohang, 37673, République de Corée

Hyeonseok Eo et Wook-Sung Kim

Centre de R&D sur les matériaux intelligents, Korea Automotive Technology Institute, Cheonan, 31214, République de Corée

Tae Hoon Choi

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CHH et THC ont conçu et proposé l'expérience. HE et W.-SK ont développé le modèle théorique. SWO a écrit l'article et discuté des résultats CHH, HE, THC et WSK

Correspondance avec Wook-Sung Kim ou Seung-Won Oh.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Han, CH., Eo, H., Choi, TH. et coll. Une simulation de fenêtre intelligente à cristaux liquides diffractive pour une application de confidentialité. Sci Rep 12, 11384 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-15636-2

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Reçu : 08 avril 2022

Accepté : 27 juin 2022

Publié: 05 juillet 2022

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

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