ITPD960249A1

ITPD960249A1 - Cella elettroottica di cristallo liquido inglobato in uno strato polim erico con funzionamento reverse mode e procedimento per la sua realizz

Info

Publication number: ITPD960249A1
Application number: IT96PD000249A
Authority: IT
Inventors: Giuseppe Chidichimo; Filpo Gianni De
Original assignee: S P S Spa
Priority date: 1996-10-14
Filing date: 1996-10-14
Publication date: 1998-04-14
Also published as: ITPD960249A0; IT1287963B1; WO1998016865A1; AU4946797A

Description

"CELLA ELETTROOTTICA DI CRISTALLO LIQUIDO INGLOBATO IN UNO STRATO POLIMERICO CON FUNZIONAMENTO "REVERSE MODE" E FROCEDIMENTO PER LA SUA REALIZZAZIONE"

DESCRIZIONE

Forma oggetto della presente invenzione una cella elettroottica di cristallo liquido inglobato in uno strato polimerico, che costituisce la matrice di supporto, con funzionamento reverse mode ed un procedimento per la sua realizzazione.

Sono noti diversi materiali conpositi polimeri-cristalli liquidi, utilizzati in applicazioni di tipo elettroottico, come la produzione di display e dispositivi a trasmissione variabile,di grande superficie.

Infatti i cristalli liquidi di per sè non sono materiali appropriati per questo tipo di applicazioni.

Da una parte il controllo della trasmissione ottica, attraverso strati liquido-cristallini, richiede l'uso di strati polarizzatori che, lasciandosi attraversare solo da conponenti luminose polarizzate secondo ben definite direzioni, riducono severamente la trasmissione luminosa globale.

Un altro inconveniente è costituito dalla fluidità delle sostanze liquido-cristalline, che rende molto difficile l'ottenimento di strati attivi di grande superficie aventi spessori costanti.

Per questa ragione sono state fatte molte ricerche per ottenere dei materiali compositi che associassero alle proprietà ottiche dei cristalli liquidi,quelle meccaniche proprie dei polimeri.

Cristalli liquidi incapsulati, il loro modo di essere utilizzati in dispositivi elettroottici ed un metodo per produrli hanno formato oggetto di un brevetto US 4.435.047 del 1984 a nome J.L.FERGASON.

Secondo questa soluzione un cristallo liquido incapsulato, è costituito da microgocce discrete di cristalli liquidi contenute in un mezzo incapsulante.

L'esempio fornito nel brevetto di FERGASON concerne un cristallo liquido incapsulato confinato in polivinilalcool (PVA).

Il confinamento era ottenuto attraverso l'evaporazione del solvente da una emulsione acquosa di cristallo liquido e di PVA.

Per quanto riguarda il funzionamento elettroottico dei materiali brevettati da FERGASON, questo autore dichiara che l'allineamento inposto dalle pareti della capsula alle molecole liquido-cristaliine, permette al cristallo liquido di diffondere,più che trasmettere la luce quando non sono applicati i carpi elettrici.

L'applicazione di un campo elettrico orienta univocamente le molecole liquido-cristalline e rende trasparente il film, quando gli indici di rifrazione dei due materiali, quello polimerico e quello liquido-cristallino, sono opportunamente calibrati.

In un altro brevetto USA del 1987 n.US 4.688.900 a nome J.V.DGANE ET AL.veniva rivendicato un materiale morfologicamente simile a quello realizzato da FERGASGN,ma questo brevetto introduceva metodi innovativi per la produzione di film compositi.

Operando secondo questo brevetto diveniva possibile utilizzare un'ampia gamma di materiali polimerici per confinare i cristalli liquidi in-microgocce discrete ed ottenere film conpositi suscettibili di essere utilizzati per la produzione di display e dispositivi a trasmissione variabile di grande superficie.

In questa soluzione l’orientazione del cristallo liquido non è uniforme all'interno delle microgocce, ed inoltre varia nella sua distribuzione globale da goccia a goccia.

Questo tipo di configurazione è altamente opaca.

L'orientazione del cristallo liquido diviene uniforme su tutto il materiale, in presenza di un campo elettrico.

Questa configurazione permette il passaggio della luce e la cella apparirà trasparente.

I materiali derivati da questi primi brevetti costituiscono film elettroottici operanti in modo diretto.

Nel 1992 è stato messo a punto un rrateriale composito denominato Liguid Crystal Gel (103) costituito per circa il 90% da un cristallo liquido nematico, per l'8% da un cristallo liquido oolesterico e per il rimanente 2% di un polimero la cui funzione non è quella di confinare la miscela liquido-cristallina,m solo di stabilizzarne le orientazioni.

Quando il materiale di cui sopra è confinato tra superfici pretrattate con poliimmidi si ottiene un orientamento planare del cristallo liquido che si avvita a forma di elica con il passo perpendicolare alle superfici di confinamento (stato ad alta trasmissività ottica).

L'applicazione del campo elettrico rompe l'uniformità dell'allineamento planare, generando uno stato altamente opaco.

Questo tipo di apparato ha un funzionamento elettroottico del tipo reverse mode, in quanto risulta trasparente in assenza di campo elettrico ne transisce in uno stato opaco con l'applicazione del campo.

Gli inconvenienti di questo apparato sono in particolare il fatto che lo stesso funziona bene soltanto su dispositivi di piccola dimensione ed ancora che il materiale di base non ha proprietà autoadesive alle superfici di confinamento ed è inoltre molto sensibile alle variazioni di temperatura e poco stabile chimicamente.

E' stato ideato infine un altro tipo di materiale elettroottico del tipo PDLC, messo a punto da ricercatori della POLYTRGNICS (USA), mediante l'aggiunta di tensioattivi in miscele usualmente utilizzate per l'ottenimento di FDLC con microgocce in conformazione bipolare.

La presenza del tensioattivo genera microgocce nelle quali le molecole di cristallo liquido sono orientate ortogonalmente rispetto alle parti polimeriche.

Attraverso un opportuno accordo degli indici di rifrazione si riesce ad ottenere un funzionamento reverse mode del film composito , il quale però non raggiunge le qualità ottiche tali da rendere utile tale materiale dal punto di vista tecnologico (rapporto trasparenza/opacità molto ridotto ).

Il presente trovato si propone di risolvere e superare i problemi che si riscontrano nei prodotti oggi conosciuti così come illustrati precedentemente.

Scopo principale è quello di mettere a punto una elettroottica che abbia un funzionamento del tipo reverse mode.

Un ulteriore scopo, in ccmbinazione con il precedente, è quello di mettere a punto una cella elettroottica che abbia un alto contrasto ottico.

Un altro scopo ancora è quello di mettere a punto una cella elettroottica realizzata su un supporto vetroso o plastico.

Ancora uno scopo è quello di mettere a punto un procedimento per preparare una cella elettroottica che raggiunga gli scopi di cui sopra che sia particolarmente semplice ed industrializzabile.

Non ultimo scopo è quello di ottimizzare l'utilizzazione del cristallo liquido con conseguente economicità della cella elettroottica.

Gli sccpi elencati ed altri ancora che più chiaramente appariranno in seguito sono raggiunti da una cella elettroottica di cristallo liquido in uno strato polimerico caratterizzata dal fatto di conprendere una uniforme dispersione di microsfere o microagglomerati di molecole di cristallo liquido nematico, con molecole uniformemente allineate, in una matrice polimerica adesa a supporti elettroconduttivi di natura vetrosa o plastica, rigidi o flessibili, detta matrice essendo in grado di mantenere indefinitamente l'allineamento delle molecole di detto cristallo liquido, imposto durante la preparazione della cella da un campo magnetico esterno (o da altri campi di forza), potendo le stesse molecole ruotare in modo naturalmente reversibile, per effetto di un campo elettrico imposto fra i supporti conduttivi, i due determinando la trasparenza (orientazione naturale) od o (orientazione imposta dal campo elettrico) della cella

reverse mode).

Oggetto del brevetto è anche un procedimento per la realizzazione di una cella elettroottica di cristallo liquido inglobato in uno strato polimerico caratterizzata dal fatto di comprendere le seguenti fasi operative:

a)preparazione di una emulsione organica di cristallo liquido nematico in un monomero (o miscela di monomeri);

b) spalmatura di detta emulsione su supporti vetrosi o plastici preventivamente resi elettricamente conduttivi sulle facce di spalmatura;

c) creazione di un sandwich inglobante 1'emulsione fluida;

d) imposizione sul detto sandwich di un campo magnetico, o di altro campo di forza, di intensità tale da orientare le molecole del cristallo liquido;

e) polimerizzazione del monemero (o della miscela di monomeri) emulsionante con mantenimento del campo magnetico fino a termine della polimerizzazione stessa.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione risulteranno maggiormente da una dettagliata descrizione della cella oggetto di brevetto e del suo procedimento dati a titolo indicativo ma non limitativo ed illustrati anche coi l'ausilio di una tavola di disegno che illustra nelle figure 1 e 2 due modalità di funzionamento della cella.

Con riferimento a quanto sopra un primo tipo di cella secondo il trovato è illustrata nelle figure la) e Ila).

Essa è composta da microsfere 1 di cristallo liquido nematico con molecole uniformemente allineate disperse in una matrice polimerica 2 adesa a supporti conduttivi 3 e 4, che possono convenientemente essere di tipo vetroso o plastico, rigido o flessibile.

Questo primo tipo di cella ha una geometria che prevede delle molecole inesogene naturalmente orientate perpendicolarmente alla superficie dello strato.

In questo caso l'indice di rifrazione "np" del polimero viene accordato con l'indice di rifrazione "ne" del cristallo liquido che deve avere anisotropia dielettrica negativa.

Nello stato naturale il film composito apparirà perfettamente trasparente.

Per l'applicazione di un campo elettrico E di opportuna intensità, come illustrato nella figura lb, le molecole inesogene si porteranno in direzione perpendicolare al campo.

A causa del disaccordo tra l'indice di rifrazione "np" del polimero e l'indice di rifrazione "no" del cristallo liquido, la luce passante attraverso la cella sarà diffusa in tutte le direzioni rendendo il dispositivo opaco.

Un secondo tipo di cella che opera con lo stesso principio è illustrata nelle figure 2a e 2b.

In questo caso l'indice di rifrazione "np" del polimero viene accorciato con l'indice di rifrazione "no" del cristallo liquido che deve avere anisotropia dielettrica positiva.

In questo caso l'applicazione del campo elettrico porterà le molecole mesogene parallele allo stesso campo, facendo transire la cella in uno stato opaco a causa del disaccordo tra l'indice di rifrazione del polimero "np" e l'indice di rifrazione "ne" del cristallo liquido.

Nel caso di questa geometria, è richiesta l'aggiunta di un polarizzatore 5 per selezionare una sola componente del vettore di polarizzazione (quella lungo la direzione delle molecole mesogene).

Il procedimento che consente l'ottenimento di una cella di questo tipo si compone di una sequenza di fasi che sinteticamente possono essere indicate nella preparazione di una emulsione organica di cristallo liquido nematico in un menomero od in una miscela di monomeri, che possono essere polimerizzati mediante un qualsiasi processo noto ad esempio con l'utilizzo di radiazio ultravioletta o con l'utilizzo del calore.

Questa emulsione viene spalmata sopra due supporti vetrosi o plastici, rigidi o flessibili, resi preventivamente conduttivi sulle facce di contatto creando quindi un sandwich.

Questo sandwich inglobante l'emulsione fluida,viene sottoposto ad un campo magnetico e simultaneamente viene effettuata la polimerizzazione per irraggiamento con radiazione ultravioletta od in alternativa con trattamento termico.

L'utilizzo di una emulsione fluida è un fattore fondamentale che consente l'ottenimento di una cella del tipo reverse mode.

Infatti in tale miscela fluida il cristallo liquido facilmente orientato mediante il campo magnetico causando anch un'impronta all'interfaccia delle sfere di cristallo liquido orientato, sul monomero disperdente.

In questa condizione viene effettuata la polimerizzazione del nonanero ed il polimero si forma in una conformazione regolare, per lo meno all’interfaccia col cristallo liquido.

L'interazione superficiale tra la matrice ordinata ed il cristallo liquido preserverà una naturale orientazione del cristallo liquido una volta che il campo magnetico viene rimosso e renderà quindi possibile il funzionamento reverse mode ed un alto contrasto ottico della cella prodotta.

E'ancora da far notare che il cristallo liquido essendo insolubile nella parte organica monomerica, viene utilizzato nella quantità strettamente necessaria a determinare il funzionamento elettroottico della cella.

Questo comporta una riduzione dei costi in quanto il cristallo liquido viene utilizzato soltanto nella quantità minima necessaria al funzionamento della cella.

La dimensione delle sfere del cristallo liquido può essere meglio regolata mediante l'impiego di tecniche ad ultrasuoni ed ancora regolando le concentrazioni e le temperature .

Il monomero ha caratteristiche adesive cosicché ben si fissa sul supporto vetroso o plastico, rigido o flessibile.

Diamo ora degli esempi di preparazione di cella.

ESEMPIO 1

In questo esempio è stata realizzata una cella elettroottica con molecole mesogene orientate perpendicolarmente alla superficie della cella elettroottica.

Il cristallo liquido utilizzato è stato uno ZLI 4318 della MERCK ed è stato miscelato con idrossipropilmetacrilato nella proporzione 1:1 (50% cristallo liquido e 50% metacrilato).

A tale miscela è stato aggiunto l'l% dell'iniziatore radicalicò U.V. IRGACURE 651 della CIBA-GEIGY.

La miscela è stata sonicata con un sonicatore a punta per l'ottenimento di una emulsione stabile.

Tale emulsione è stata depositata sotto forma di uno strato sottile su vetro metallizzato ed addizionato ad una piccola quantità di spaziatori inerti del diametro di 10 micron.

La cella è stata quindi posta in un campo magnetico di circa 3 TESLA ad essa perpendicolare e dopo qualche secondo è stata irraggiata con luce U.V.prodotta da una lampada PHILIPS HPK 125 da 125 Watt.

La cella appare perfettamente trasparente in condizioni naturali e diviene opaca per l'applicazione di campi elettrici esterni.

Il massimo del contrasto è stato osservato con tensioni alternate ad un voltaggio di 80 Volts.

ESEMPIO 2

In questo esempio è stata realizzata una cella elettroottica con molecole mesogene orientata parallelamente alla superficie del film elettroottico.

Il cristallo liquido E7 della MERCK è stato miscelato con l’idrossipropiImetacrilato nelle proporzioni 1:1 e a tale miscela è stato aggiunto l'l% dell'iniziatore radicalico U.V. IRGACURE 651, della CIBA-GEIGY.

La miscela è stata trattata nello stesso modo dell'esèmpio 1 ponendo però il campo magnetico parallelo alla cella.

E' stato così ottenuta una cella che accoppiata ad un polarizzatore si presentava trasparente nello stato naturale e diventava opaca sotto l'azione di un campo elettrico esterno di circa 80 Volt.

Da quanto descritto ed illustrato si vede come si siano raggiunti tutti gli scopi che si erano preposti.

In particolare va osservato il fatto che la cella elettrootticamente attiva con sfere nematiche naturalmente allineate, è stato prodotta attraverso la polimerizzazione di una emulsione organica di cristallo liquido nematico in una miscela di monomeri acrilici.

Tale metodologia si distingue da quelle precedentemente usate per il fatto che le microsfere di cristallo liquido sono già presenti nella fase fluida fin dal momento che monomeri organici opportunamente selezionati vengono mescolati col cristallo liquido.

Il cristallo liquido, essendo insolubile nella parte organica monomerica viene utilizzato nella quantità strettamente necessaria a determinare il funzionamento elettroottico della cella.

Claims

RIVENDICAZIONI 1) Cella elettroottica di cristalli liquidi in uno strato polimerico allo stato solido, caratterizzata dal fatto di comprendere una dispersione di microsfere di cristallo liquido nematico, con molecole uniformemente allineate, in una matrice polimerica adesa a supporti elettroconduttivi di natura vetrosa o plastica, detta natrice essendo in grado di mantenere indefinitamente l'allineamento delle molecole di detto cristallo liquido, imposto durante la preparazione della cella da un campo magnetico (o altro campo di forza) esterno, potendo le stesse molecole ruotare in modo naturalmente reversibile per effetto di un carpo elettrico imposto fra i supporti conduttivi, i due stati determinando la trasparenza (orientazione naturale) od opacità (orientazione imposta dal campo elettrico) della cella (funzionamento reverse mode).
2) Cella elettroottica come alla rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che il supporto elettroconduttivo sia reso tale per la presenza di un monostrato di ossido metallico.
3) Cella elettroottica come in una o più delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che il supporto elettroconduttivo sia reso tale per la presenza di un multistrato di ossidi metallici e/o ceramici.
4) Cella elettroottica come in una o più delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che la matrice polimerica mantenga in assenza di campo applicato l'allineamento locale delle molecole del cristallo liquido uniforme rispetto ad una direzione assegnata.
5) Cella elettroottica come in una o più delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che impiega cristalli liquidi nematici od operativamente negatici.
6) Cella elettroottica come in una o più delle rivendicazioni precedenti nel quale detti cristalli liquidi e/o detto menomerò sono mescolati ad iniziatori radicaiici e/o distanziatori inerti e/o sostanze coloranti e/o di qualunque altro tipo che possano migliorarne le caratteristiche o le prestazioni.
7) Cella elettroottica come in una o più delle rivendicazioni precedenti nel quale lo strato di film composito ha uno spessore compreso tra 10 e 30 μm o altro ritenuto più idoneo a soddisfare particolari esigenze di contrasto ottico.
8) Cella elettroottica come in una o più delle rivendicazioni precedenti nel quale l'allineamento indotto dal rivestimento polimerico delle molecole di cristalli liquidi, aventi anisotropia dielettrica positiva, sia parallelo alle superfici dei supporti e lo stato di trasparenza sia ottenuto calibrando opportunamente 1'indice di rifrazione di detta matrice polimerica ed applicando una pellicola polarizzatrice.
9) Cella elettroottica come in una o più delle rivendicazioni precedenti nel quale l'allineamento indotto dal rivestimento polimerico delle molecole di cristalli liquidi, aventi anisotropia dielettrica negativa, sia perpendicolare alle superfici dei supporti e lo stato di trasparenza sia ottenuto calibrando opportunamente l'indice di rifrazione di detta matrice polimerica.
10) Cella elettroottica cane in una o più (felle rivendicazioni precedenti nella quale siano presenti sostanze additive per migliorarne le prestazioni del tipo: promotori di adesione della matrice polimerica sui supporti, stabilizzanti, particelle distanzlatrici, sostanze coloranti, etc.
11) Apparato ottico caratterizzato dal fatto di comprendere cane componente una cella elettroottica a cristalli liquidi come definita in una o più delle rivendicazioni precedenti.
12) Procedimento per la realizzazione di una cella elettroottica di cristallo liquido inglobato in un film polimerico, caratterizzata dal fatto di comprendere le seguenti fasi operative: - a)preparazione di una emulsione organica di cristallo liquido nematico in un monomero (o miscela di monomeri); - b) spalmatura di detta emulsione su supporti vetrosi o plastici rigidi o flessibili,preventivamente resi elettricamente conduttivi sulle facce di spalmatura; - c) creazione di un sandwich inglobante l'emulsione fluida; - d) imposizione sul detto sandwich di un campo magnetico (o altro carpo di forza) di intensità tale da orientare le molecole del cristallo liquido; -e) polimerizzazione simultanea del menomero (o della miscela di monomeri) emulsionante con mantenimento del carpo magnetico fino a temine della polarizzazione stessa.
13) Procedimento come alla rivendicazione 12) in cui l'emulsione organica sia costituita da cristallo liquido nematico in una miscela di monomeri e contenga eventuali sostanze additive di cui alla rivendicazione 10.
14) Cella elettroottica di cristalli liquidi in uno strato polimerico allo stato solido e procedimento per la realizzazione di una cella elettroottica di cristallo liquido inglobato in un film polimerico, caratterizzata dal fatto di comprendere una o più delle caratteristiche illustrate e descritte