ITRM950615A1 - Dispositivo elettroottico a cristalli liquidi polimerici e relativo processo di realizzazione - Google Patents

Abstract

Viene descritto un dispositivo elettroottico contenente una pluralità di fogli ottenuti a partire da un cristallo liquido polimerico e che fungono da isolanti di condensatori connessi in parallelo con elettrodi trasparenti. Il dispositivo elettroottico è anche in grado di modulare l'intensità della luce trasmessa.

Description

DESCRIZIONE

della domanda di Brevetto per Invenzione Industriale dal titolo: "Dispositivo elettroottico a cristalli liquidi polimerici e relativo processo di realizzazione"

Campo dell'invenzione

La presente invenzione è relativa ad un dispositivo elettroottico a cristalli liquidi polimerici e al relativo processo di realizzazione.

Più in particolare la presente invenzione è basata sulle proprietà ferroelettriche ed elettrocliniche di cristalli liquidi chirali, caratteristiche, rispettivamente, delle classi smettiche inclinate e ortogonali di questi materiali, come anche delle classi nematiche, nel caso di risposta elettroclinica.

I materiali impiegabili nell'ambito dell'invenzione sono costituiti da: polimeri smettici A (indicati anche con A ), polimeri smettici C (indicati anche con C ) e polimeri nematici chirali N (indicati anche con N ). Sono anche impiegabili i cristalli liquidi polimerici nel loro stato semicristallino o vetroso. Tali prodotti vengono utilizzati per produrre fogli polimerici sottili e resistenti, ma al contempo flessibili, che possano modulare lo stato della luce trasmessa ad alta velocità e in modo controllato dal campo elettrico applicato attraverso il foglio. Questo foglio viene opportunamente assemblato assieme con altri e con polarizzatori ottici e quanto altro, noto nell'arte, possa essere necessario per mettere a punto il dispositivo elettroottico dell'invenzione.

Arte nota

I primi cristalli liquidi ferroelettrici sono stati descritti da Meyer et al. in J. Phys. Lett.3§· L69 (1975)· 1° questi smettici inclinati ogni strato smettico ha una polarizzazione macroscopica, tuttavia la polarizzazione dell'intero sistema viene cancellata in quanto lo stato generale di esso è elicoidale. Questi materiali non possono essere polarizzati mediante applicazione di un campo elettrico e quindi non sono in realtà ferroelettrici. I primi cristalli liquidi che mostrano un comportamento ferroelettrico normale, con due stati stabili di polarizzazione spontanea, ciascuno reversibile nell'altro in funzione del cambiamento del segno di un appropriato campo elettrico esterno, sono stati descritti da Clark e Lagerwall nel brevetto US 4.367*924. La caratteristica di questi cosiddetti cristalli liquidi ferroelettrici stabilizzati da superficie (SSFLC) è quella per cui lo stato di assenza di elica è stabile o metastabile, cosi che ne risulta uno stato di polarizzazione nonzero caratteristico dato dalla combinazione dei seguenti fattori: la cosiddetta geometria a scaffale (bookshelf), in cui gli strati smettici sono disposti essenzialmente perpendicolari alle piastre di confinamento in vetro; gli eventuali trattamenti superficiali ed, eventualmente, l'isteresi nella ricomparsa dell'elica.

Un altro fenomeno manifestato dai cristalli liquidi smettici chirall nella geometria a scaffale è il cosiddetto effetto elettroclinico, effetto pre-transizionale di piccola entità, descritto da Garoff et Meyer in Phys. Rev. Lett.38 848, (1977)· Tale fenomeno può essere sia esteso in un campo utile di temperatura che trasformato in un effetto elettroottico non trascurabile, come descritto da Lagerwall et al. nel brevetto US 4.838.663.

Entrambi gli effetti, ferroelettrico ed elettroclinico, sono lineari con il campo elettrico e molto rapidi, se confrontati con altri effetti di commutazione dei cristalli liquidi, e sono capaci di dare considerevole effetto di contrasto. Tali effetti si manifestano sia nei cristalli liquidi monomerici che polimerici; inoltre l'effetto elettroclinico può essere anche indotto nello stato nematico chirale, come descritto nella domanda di brevetto WO-9O/O9613. A volte, tuttavia, almeno nello stato polimerico, le inclinazioni indotte possono essere troppo piccole per essere utili. A questo intende porre rimedio la domanda di brevetto W0-90/09614, ove si descrive l'utilizzo di una pluralità di celle in sequenza. Tuttavia, se si usano celle di vetro, tale dispositivo risulta essere geometricamente voluminoso. Inoltre, l’ipotesi avanzata in tale brevetto di utilizzare film polimerici di antipodi ottici opposti, sovrapposti alternativamente l'uno sull'altro, porta alla realizzazione di dispositivi proni a manifestare inconvenienti e limitazioni nell'uso, dovuti alla diffusione reciproca degli strati molecolari cosi assemblati.

Sommario dell'invenzione.

La presente invenzione si propone di ovviare agli inconvenienti dei dispositivi suddetti e descrive un dispositivo elettroottico a cristalli liquidi polimerici, basato sugli effetti ferroelettrico ed elettroclinico, realizzato come se fosse una normale cella elettroottica sottile, anche se si utilizza un gran numero di celle elementari, assemblate fra loro in un unico dispositivo.

Altro oggetto dell'invenzione è costituito dai cristalli liquidi polimerici impiegati per realizzare il dispositivo dell'invenzione.

Ancora altro oggetto dell'invenzione è costituito dal processo di preparazione dei cristalli liquidi polimerici.

Ulteriori oggetti dell'invenzione risulteranno evidenti dalla descrizione dettagliata dell'invenzione.

Breve descrizione delle figure.

Fig. 1 mostra l'assemblaggio dei fogli di cristallo liquido polimerico, indicati con (1), (2). (N-l), (N), interposti fra polarizzatore PQ e analizzatore Pi, secondo l'invenzione. Fig. 2a mostra un foglio di cristallo liquido polimerico (A) secondo l'invenzione, associato ad un supporto trattato superficialmente con uno strato conduttore ITO (Indium Tin Oxide).

Fig. 2b una pluralità di fogli di cristallo liquido polimerico (A), associati ad un supporto trattato superficialmente con uno strato conduttore ITO e collegati fra loro in modo da costituire il dielettrico di altrettanti condensatori fra loro in parallelo. Fig. 3 mostra un campione di cristallo liquida polimerico allineato in una configurazione rappresentata schematicamente e ripresa da G. Andersson et al.. Appi. Phys. Lett., 640, (1987). (A) rappresenta il cristallo liquido polimerico, (B) lo strato conduttore trasparente ITO, (C) il supporto solido, essendo a/2 l'angolo indotto dal campo elettrico applicato (E). Fig. 4 mostra in grafico un tipo elettroclinico di risposta elettroottica osservata nella fase semicristallina quando viene applicato un campo elettrico al prodotto del successivo esempio 1.

Fig. 5 mostra in grafico la linearità dell’ampiezza della risposta elettroottica con il campo, che diminuisce al diminuire della temperatura nella fase semicristallina del prodotto del successivo esempio 1.

La Fig. 6 mostra in grafico il tempo di risposta del segnale elettroottico in funzione della temperatura per il prodotto del successivo esempio 1.

La Fig . 7 mostra in grafico la dipendenza dalla temperatura dell' inclinazione indotta nella fase smettica altamente ordinata del prodotto di cui all'esempio 2.

La Fig. 8 mostra l'andamento lineare della risposta elettroottica con il campo elettrico applicato nella fase N del prodotto di cui all'esempio 3

Descrizione dettagliata dell'invenzione

1. Sintesi e caratterizzazione dei cristalli liquidi polimerici. I cristalli liquidi polimerici impiegabili secondo la presente invenzione sono quelli caratterizzati dal manifestare una risposta elettroottica lineare con il campo elettrico applicato nelle fasi chirali: nematica, smettiche ortogonali o inclinate, smettiche altamente ordinate, parzialmente cristalline, tipicamente con un grado di cristallinità fino al 60% , preferibilmente fino al 40%·

Questa risposta elettroottica lineare è tipicamente dovuta ad un effetto flessoelettrico o elettroclinico nella fase nematica chirale, o ad un effetto elettroclinico nelle fasi smettiche chirali ortogonali, o ad un effetto ferroelettrico nelle fasi smettiche chirali inclinate. Tale risposta dipende dal campo elettrico applicato e dalla temperatura. Gli effetti suddetti si manifestano anche, nella fase cristallina o vetrosa, a temperatura ambiente, cioè ben al di sotto della transizione vetrosa del polimero impiegato.

I polimeri possono essere adeguatamente prodotti in fogli di spessore fra 5 e 200 um, dotati di resistenza meccanica e flessibilità.

Strutture polimeriche particolarmente vantaggiose nell'ambito della presente invenzione sono risultate essere quelle descritte con le seguenti formule generali (I), (II) e (III):

in cui R=H, CH3;R =alchile chirale contenente almeno un atomo di C asimmetrico, alcanoile chirale contenente almeno un atomo di C asimmetrico, entrambi comprendenti un numero di atomi di carbonio variabile fra 5 e 8; n=4-l6; m=l-13; x=30-100; y=10-60; z=15-100; X=CH2, 0.

Per esempio il polimero (I) , sintetizzato secondo le modalità appresso descritte nell'esempio 1, mostra una fase A per riscaldamento da fi a 117"C alla transizione fino al fuso isotropo I. A temperature più basse di 71C esiste una fase semicristallina (Cry) con un grado di cristallinità di circa il 40 %. Tutti i campioni di polimero della classe (I) mostrano una fase A , 1 ampiezza della quale dipende dalla lunghezza n dello spaziatore e dalla struttura del gruppo chirale R . Il polimero ( II) , sintetizzato secondo le modalità appresso descritte nell'esempio 2, mostra una fase C fra 86 e 100<°>C e una fase A per riscaldamento da 100 a 166°C alla transizione A -I. Tutti i campioni di polimero della classe (li) presentano una fase C ed una fase A*, 1 ampiezza delle quali dipende dalla lunghezza m dello spaziatore e dalla struttura del gruppo chirale R , e, a parità di struttura chimica, dal grado di polimerizzazione y. Il polimero (III), sintetizzato secondo le modalità descritte appresso nell'esempio 3· mostra una fase N fra la temperatura di transizione vetrosa a 37 "C e la transizione N -I a 242°C. Tutti i campioni di polimero (III) presentano una fase N , l'estensione della quale dipende dal grado di polimerizzazione z.

Inoltre, raffreddando dal liquido isotropo, la struttura con fase smettica chirale è di fatto congelata a temperatura ambiente e al di sotto della temperatura ambiente nella fase semicristallina per l'esempio 1 o nella fase smettica altamente ordinata per l'esempio 2; la fase nematica chirale è evidentemente congelata all'interno della fase vetrosa a temperatura ambiente per l'esempio 3·

In tutti i casi di polimeri che manifestano un simile comportamento, e non solo per i polimeri degli esempi 1, 2 o 3. le unità mesogeniche chirali possiedono ancora un sostanziale grado di libertà di movimento che le rende capaci di rispondere efficacemente al campo applicato e di manifestare l'effetto elettroottico utilizzato nella presente invenzione.

I cristalli liquidi polimerici dell’invenzione possono essere preparati mediante reazioni convenzionali, quali la poliaddizione e la policondensazione, per polimerizzazione di monomeri chirali mesogenici oppure non mesogenlci (come schematicamente rappresentato negli esempi 1 e 3). o mediante reazione di attacco su polimeri preformati da parte di precursori funzionali chirali mesogenici (come schematicamente rappresentato nell'esempio 2). In questo modo si possono ottenere polimeri con catena polimerica avente sostituenti laterali comprendenti atomi di carbonio asimmetrico (di seguito anche detti polimeri side-chain), come negli esempi 1 e 2; oppure polimeri con catena polimerica principale avente atomi di carbonio asimmetrici (di seguito anche detti polimeri main-chain), come nell'esempio 3·

Esempi specifici secondo l'invenzione includono, ma non sono limitati a, polimeri contenenti unità mesogeniche di 4,4'-bifenil e 1,4-fenilen bistereftalato. Altri esempi pertinenti secondo la presente invenzione sono basati su unità mesogeniche bisostituite di 4,4'-azobenzene, 4,4’-stilbene, 4,4'-α-metilstilbene, 4,4’-fenil benzoato. I segmenti spaziatori che collegano i gruppi tnesogenici della catena laterale alla struttura principale del polimero o i gruppi mesogenici nella catena principale del polimero possono essere semplicemente costituiti da un semplice segmento alchilenico (come negli esempi 1 e 3). come tipico di molti cristalli liquidi polimerici, o un segmento ossialchilenico (come in una variante dell'esempio 2), la cui struttura è stata utilizzata per la prima volta in quest’invenzione per la preparazione di polimeri side-chain smettici chirali. La lunghezza del segmento spaziatore è compresa tra 4 e 16 gruppi metilenici, tipicamente 10-12 gruppi metilenici, per i polimeri side-chain e 4-16 gruppi metilenici, preferibilmente ^-10, nel caso dei polimeri main-chain, in questo caso il segmento contenendo necessariamente almeno un atomo di carbonio asimmetrico.

Un certo numero di spaziatori chirali, quali quelli derivati dagli alcoli l,3“butandiolo, propilenglicol, dipropilenglicol, nei polimeri main-chain e di sostituenti chirali nella posizione 4'- dei mesogeni side-chain è capace di dare origine a fasi smettiche chirali o nematiche chirali che possono essere sfruttate secondo l’invenzione. Di solito tali spaziatori comportano l’esistenza di un centro chirale con un momento di dipolo laterale associato, come i sostituenti 2-cloro-alcanoil chirali degli esempi 1 e 2. Possono essere presenti uno o più centri chirali, il comportamento di questi polimeri non essendo limitato ai sostituenti chirali di cui sopra. Come altri esempi nell'ambito dell'invenzione si includono varie unità chirali differenti come i sostituenti 2-metilbutossi e 1-metileptilossi. Entrambe le configurazioni assolute dominati (R) e (S) del centro stereogenico sono efficaci nell'impartire la chiralità nelle mesofasi smettica o nematica dei polimeri a cristalli liquidi da usare nel dispositivo elettroottico dell'invenzione.

In conclusione, la struttura dei polimeri dell'invenzione può essere variata cambiando opportunamente la struttura delle unità mesogeniche, dei segmenti spaziatori, dei centri chirali la cui configurazione assoluta e purezza ottica possono essere variate in modo da ottimizzare la natura della mesofase chirale e la risposta elettroottica associata su un campo di temperature molto ampio.

Nell'ambito dell'invenzione si possono anche preparare, preferibilmente a partire dai polimeri delle classi (I) e (II), polimeri reticolati secondo tecniche note, incorporando piccole quantità (1-10%K in peso) di comonomeri bifunzionali.

Gli esempi appresso riportati, relativi alla sintesi di cristalli liquidi polimerici secondo l'invenzione, sono da considerare illustrativi di essa e non limitativi della relativa portata.

(+)(2S,3S)-4-(11-acriloilossi-undecilossi)-4’-(2-cloro-3<_>metilpentanoilossi)-bifenile, sintetizzato secondo una procedura generale descritta in A.A. Farah et al., Gazz. Chim. Ital., 124, 279 (1994), (4,0 mmoli) fu sciolto in benzene anidro (17 mi) in presenza di azo-bis-isobutirronitrile (AIBN) (Fluka) (0,15 mmoli) e introdotto in una fiala di vetro sotto atmosfera di azoto. La miscela di polimerizzazione venne degasata sotto vuoto effettuando ripetuti cicli di congelamento-scongelamento e la fiala fu sigillata sotto vuoto e riscaldata a 65 <°>C per 48 ore.

Dopo raffreddamento la miscela di polimerizzazione fu versata in un grande eccesso di metanolo sotto vigorosa agitazione . 11 polimero coagulato fu filtrato e purificato mediante ripetute

butanoilossi )bifenile , sintetizzato secondo una procedura generale descritta in E.Chiellini et al. , J. Mater. Chem. , 1065 (1993) . (2,6 mmoli) fu fatto reagire con poli (idrogenometilsilossano) (Petrarch) (3,7 mmoli unità ricorrenti di Si-H) in toluene anidro 30 mi in presenza di divinil-tetrametildisilossano platino (Petrarch) (DVTMS) (5 mmoli) a 60*C per 40 ore . Dopo raffreddamento la miscela di polimerizzazione fu versata in un grande eccesso di metanolo sotto vigorosa agitazione. Il polimero coagulato fu filtrato e purificato mediante ripetute precipitazioni da soluzioni di cloroformio in

Una soluzione di p-tosil cloruro (p-TsCl) (Aldrich) {21,0 mmoli) in 20 mi di piridina anidra (Py) e 15 gocce di dimetilformammide (DMF) furono poste sotto agitazione a temperature ambiente per 30 min. Fu poi aggiunto (+)(R)-4,4'-bicarbossi-l,6-dibenzoilossi-3-metilesano sintetizzato secondo una procedura generale riportata in E.Chiellini et al., Ferroelectrics, 114, 223 (1991). (7,0 mmoli) e la soluzione fu riscaldata a 120"C per 30 min. Fu aggiunta goccia a goccia una soluzione di metil-idrochinone (Fluka) (7.0 mmoli) alla soluzione a 120°C e la reazione fu portata avanti per altre 3 ore.Dopo raffreddamento la miscela di polimerizzazione fu versata in un grande eccesso di metanolo. Il polimero coagulato fu poi filtrato e purificato mediante lavaggio con acido cloridrico diluito e ripetute precipitazioni da

2.Preparazione dei fogli di polimero a cristalli liquidi.

Il cristallo liquido polimerico nel suo stato meno viscoso (per esempio nella fase isotropica) viene introdotto fra due substrati di supporto, che possono essere flessibili o rigidi, ad esempio lamine di plastica o vetro. Lo spessore d del foglio di polimero è preferibilmente tale da permettere di ottenere le condizioni di una lamina ottica lambda/2 richieste per l'ottimizzazione della risposta ottica, secondo la relazione lambda/2=dAn, in cui4n è la birifrangenza del cristallo liquido polimerico, come descritto in G.Andersson et al., J. Appi. Phys., 66, 4983 (1989)· I substrati sono distanziati da uno spessore di circa 2 ym fino a 200 ym. La superficie interna dei substrati può essere o no ricoperta di uno strato conduttore trasparente, ottenuto secondo tecniche note come ad esempio descritto in US 4.834.663. I substrati sono trattati (lucidatura, SiO evaporato obliquo etc., come anche descritto nel brevetto sopra citato) in modo tale da raggiungere un allineamento unidirezionale quasi-planare delle molecole di cristallo liquido. Quando il cristallo liquido polimerico è nella sua fase smettica (A o C ) per ottenere un allineamento a bookshelf, il substrato può, addizionalmente, essere sottoposto meccanicamente a sforzo di taglio in una direzione parallela a quella dell'allineamento preferito. In alcuni casi si può applicare un campo elettrico (10^-10^ V/cm) attraverso lo strato di cristallo liquido per migliorare l'allineamento. Quindi la temperatura del film di cristallo liquido polimerico viene abbassata al di sotto della transizione smettico-cristallino (o vetroso) e il substrato viene rimosso.Si forma cosi il foglio di polimero a cristalli liquidi.

3. Definizione della direzione dell'asse ottico del foglio di polimero a cristalli liquidi.

Il foglio di cristallo liquido polimerico è posto fra due polarizzatori incrociati. La direzione del suo asse ottico viene definita, quando il campione viene ruotato attorno ad un asse perpendicolare al piano del foglio, fino ad ottenere l'estinzione della luce trasmessa. In questa posizione l'asse ottico è parallelo o al polarizzatore o all' analizzatore. Si può definire l ' esatta posizione dell ’ asse ottico utilizzando una piastra lambda/4 , inserita tra l ' analizzatore e il foglio in una posizione a 45" .

4. Assemblaggio.

Poiché l'angolo di inclinazione indotto dal campo (10^-10^ V/cm) nel singolo foglio di cristallo liquido polimerico può essere piuttosto piccolo per essere utilizzabile per fini pratici, una serie di fogli viene assemblata in maniera adatta, per ottenere una risposta ottica sufficiente. In questo modo il segnale di risposta è costituito dalla somma dei singoli segnali rilevabili. Nel dispositivo elettroottico secondo l'invenzione i fogli di cristallo liquido polimerico sono assemblati secondo la figura 1. I fogli (in numero variabile fra 1 e 25, preferibilmente da 2 a 10) sono arrangiati in modo tale che l'asse ottico dei fogli pari è perpendicolare a quello dei fogli dispari, allo stesso tempo ciascuno di detti fogli costituisce il dielettrico di un condensatore.

Come elettrodi si possono utilizzare dei film trasparenti conduttori, per esempio di ossido di indio e stagno (ITO) , come descritto in G. Andersson et al. , Appi. Phys. Lett. , ^l , 640, (1987) , depositati direttamente su un lato dei fogli. Oppure fra i fogli di cristallo liquido polimerico si può inserire un foglio di materiale plastico trasparente , ad esempio poliacrilico estremamente sottile (di alcuni micron di spessore ) avente entrambe le facce ricoperte con tale materiale conduttore. Tutti i condensatori assemblati insieme sono collegati in parallelo, come mostrato in figura 2, in modo tale che il campo elettrico in ogni foglio abbia la stessa direzione e verso opposto rispetto al campo elettrico del foglio adiacente.

Al dispositivo possono essere associati altri elementi, in sé noti, che servono a rendere operativo il dispositivo, e cioè, ad esempio: polarizzatori, analizzatori, ritardanti e altri elementi elettronici e ottici quali: guide d'onda, prismi o piastre birifrangenti. I fogli di polimero possono a loro volta includere sostanze coloranti e/o fluorescenti e/o fosfori atti a far variare il colore entro tutto lo spettro del visibile fino agli estremi sia verso le basse che le alte lunghezze d'onda.

5. Caratteristiche elettroottiche.

I fogli sottili di polimero smettico o nematico sono realizzati come già descritto sopra. Essi sono inseriti fra strati conduttori e allineati nel modo descritto sopra. Se noi indichiamo una polarità dell'onda guida dal generatore come stato ON, mentre la polarità inversa è lo stato OFF, allora l'asse ottico nei fogli in successione sarà orientato in modo che, nello stato OFF, essi sono lungo le direzioni PQ e Ρχ dei polarizzatori incrociati, rispettivamente, secondo Fig. 1.

Nello stato ON essi ruoteranno uno verso l’altro di un angolo 2a, mentre se non è applicato alcun campo elettrico essi devieranno nello stesso senso dalle direzioni PQ e Ρχ, ma con un angolo di metà, cioè a. Nel caso di materiali smettici inclinati, a/2 corrisponde all'angolo di inclinazione spontanea alla temperatura in questione, mentre, nel caso di materiali smettici ortogonali o nematici, a/2 corrisponde all'inclinazione indotta corrispondente al campo elettrico applicato.

Le misure elettroottiche dell'angolo di inclinazione indotto (a/2) e del tempo di risposta (r) sono state condotte su campioni ben allineati in una configurazione bookshelf rappresentata schematicamente in figura 3 e usando una tecnica sperimentale descritta in G. Andersson et al.. Appi. Phys. Lett., 51, 640, (1987))· Con riferimento alla figura 3, è indicata con Io l'intensità di luce in trasmissione, I l’intensità di luce in uscita dall'analizzatore, Δ I la variazione di intensità.

L'allineamento planare uniforme raggiunto, in particolare l'arrangiamento a bookshelf delle fasi smettiche (con strati smettici orientati perpendicolarmente ai substrati di confine) è molto stabile con la temperatura e non cambia durante la transizione alla fase semicristallina o alla mesofase altamente orientata, il che permette di sfruttare il dispositivo dell'invenzione in applicazioni a temperatura ambiente o al di sotto. A tal fine il cristallo liquido polimerico è montato a caldo in un fometto riscaldante e le misure vengono effettuate ad una temperatura controllata entro l'accuratezza di 0,1 gradi. Impiegando il polimero dell'esempio 1 si osserva l'esistenza di un tipo elettroclinico di risposta nelle fasi A e Cry quando viene applicato un campo elettrico attraverso lo strato di polimero a cristalli liquidi. L'angolo di inclinazione indotto nella fase A è strettamente dipendente dalla temperatura e aumenta al diminuire della temperatura, avvicinandosi al suo massimo valore giusto al di sopra della temperatura di transizione alla fase semicristallina. Dopodiché diminuisce rapidamente a causa del processo di parziale cristallizzazione. Sorprendentemente, un tipo elettroclinico di risposta elettroottica si osserva anche nella fase semicristallina quando viene applicato un campo elettrico. Questo comportamento è illustrato in figura 4.

In tale fase semicristallina l'ampiezza della risposta elettroottica diminuisce al diminuire della temperatura, ma tale effetto elettroclinico viene, tuttavia, registrato fino a temperatura ambiente, cioè 50’C al di sotto della transizione alla fase semicristallina.

L'ampiezza della risposta elettroottica è lineare con il campo (figura 5) e dal momento che il valore dell'inclinazione indotta è piuttosto piccolo, essa rimane una funzione lineare del campo elettrico applicato fino alla soglia di carico dielettrico (>10<6>V/cm).

Inoltre, l'aumento nella risposta elettroclinica all'avvicinarsi alla transizione tra le fasi A e Cry a 71 “C appare essere dovuto alla coesistenza di queste due fasi in uno stretto intervallo di temperatura. Questo risultato forma anch'esso parte della presente invenzione, in quanto i polimeri polidispersi sono stati preparati per mantenere gli effetti elettroottici in intervalli di temperatura in cui coesistano due diverse fasi smettiche, ad esemplo C e A , o una fase neniatica ed una smettica, ad esemplo N e A , o una fase smettica, ad esempio A , e una cristallina. Pertanto in tali polimeri vengono prodotti effetti elettroottici in intervalli di temperatura più ampi di quello della semplice mesofase, ad esempio A , sfruttando il comportamento bifasico dei polimeri dovuto alla dispersità del loro peso molecolare.

Il comportamento lineare dell'inclinazione indotta con il campo elettrico applicato nella fase semicristallina è dimostrato in figura 5· Il tempo di risposta τ è anch'esso dipendente dalla temperatura e nella fase semicristallina del polimero dell'esempio 1 il tempo di risposta registrato è dell'ordine di 1 ps (figura 6).

La dipendenza dalla temperatura dell'angolo di inclinazione indotto nella fase smettica altamente ordinata del polimero preparato nell'esempio 2 è illustrata in figura 7· L'inclinazione indotta è anche in questo caso una funzione lineare del campo applicato e il tempo di risposta misurato vicino alla transizione alla fase C è dell ordine di 5 ps.

L'inclinazione indotta nella fase N uniformemente allineata del polimero preparato nell’esempio 3 è dell'ordine di 0,10°. °ssa è lineare con il campo elettrico e relativamente dipendente dalla temperatura in un ampio intervallo di temperatura tra 50° e 130"C (figura 8). 11 tempo di risposta misurato è dell'ordine di alcune centinaia di ps.

I vantaggi del dispositivo dell’invenzione derivano dal suo ridottissimo ingombro, a parità di risposta, rispetto ai dispositivi dell'arte. Tale riduzione, dovuta soprattutto alla eliminazione dei singoli substrati di supporto, è certamente superiore al 50%, per quanto riguarda il peso del dispositivo, rispetto ad analoghi dispositivi noti che utilizzano celle supportato su lamine di vetro.

Altro vantaggio del dispositivo dell'invenzione deriva dall'ampio campo di temperature entro cui può essere impiegato, in quanto esso è in grado di sfruttare una risposta elettroottica lineare con il campo elettrico applicato sia nelle diverse fasi chirali: nematica, smettiche ortogonali o inclinate, smettiche altamente ordinate, parzialmente cristalline che anche nel campo di coesistenza di due diverse mesofasi chirali. Il dispositivo può inoltre essere usato anche in riflessione, oltre che in trasmissione. Il dispositivo è inoltre in grado di modulare l'intensità della luce.

Claims (32)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo elettroottico a cristalli liquidi polimerici comprendente una pluralità di fogli di detti cristalli liquidi polimerici, a ciascuno dei quali è associato un asse ottico, detto dispositivo essendo caratterizzato dal fatto che: (i) detti fogli sono interposti fra un polarizzatore e un analizzatore incrociati e sono disposti in modo tale che l'asse ottico dei fogli pari è perpendicolare a quello dei fogli dispari, (ii) ciascuna faccia dei fogli è in contatto con un film conduttore trasparente che funge da elettrodo e al contempo ciascuno di detti fogli costituisce il dielettrico di un condensatore, (iii) tutti i condensatori cosi ottenuti sono assemblati insieme e collegati in parallelo, in modo tale che, applicando un campo elettrico esterno, il campo all'interno di ogni foglio abbia la stessa direzione e verso opposto rispetto al campo elettrico del foglio adiacente.
2. 2. Dispositivo secondo la riv. 1 in cui i fogli sono in numero variabile fra 1 e 25.
3. 3· Dispositivo secondo la riv. 1 in cui i fogli sono in numero variabile fra 2 e 10.
4. 4. Dispositivo secondo la riv. 1 in cui i fogli di cristalli liquidi polimerici hanno spessore fra 5 e 200 pm.
5. 5- Dispositivo secondo la riv. 1 in cui il film trasparente conduttore che funge da elettrodo è costituito da ossido di indio e stagno (ITO), depositato direttamente su almeno una delle facce di ciascun foglio di cristallo liquido polimerico.
6. 6. Dispositivo secondo la riv. 1 in cui fra i fogli di cristallo liquido polimerico si inserisce un foglio di materiale plastico trasparente, avente entrambe le facce ricoperte con materiale trasparente conduttore.
7. 7. Dispositivo secondo la riv. 1 comprendente inoltre elementi che servono a rendere operativo il dispositivo, quali: piastre ritardanti, guide d'onda, prismi o piastre birifrangenti.
8. 8. Dispositivo secondo la riv. 1 in cui i fogli di polimero comprendono sostanze coloranti e/o fluorescenti e/o fosfori.
9. 9· Dispositivo secondo la riv, 1 in cui i cristalli liquidi polimerici impiegati sono quelli caratterizzati dal manifestare una risposta elettroottica lineare con il campo elettrico applicato nelle fasi chirali: nematica, smettiche ortogonali o inclinate, smettiche altamente ordinate, parzialmente cristalline.
10. 10. Dispositivo secondo la riv. 1 in cui i cristalli liquidi polimerici impiegati sono quelli caratterizzati dal manifestare una risposta elettroottica lineare con il campo elettrico applicato nelle fasi chirali: nematica, smettiche ortogonali o inclinate, smettiche altamente ordinate, cristalline con un grado di cristallinità fino al 60%.
11. 11. Dispositivo secondo la riv, 1 in cui i cristalli liquidi polimerici impiegati sono quelli caratterizzati dal manifestare una risposta elettroottica lineare con il campo elettrico applicato nelle fasi chirali cristalline con un grado di cristallinità fino al 40#.
12. 12. Dispositivo secondo la riv. 1 in cui i cristalli liquidi polimerici impiegati sono quelli caratterizzati dal manifestare una risposta elettroottica lineare con il campo elettrico applicato in intervalli di temperatura in cui coesistano due diverse mesofasi chirali.
13. 13- Dispositivo secondo la riv. 1 in cui i cristalli liquidi polimerici impiegati sono quelli caratterizzati dal manifestare una risposta elettroottica lineare con il campo elettrico applicato in intervalli di temperatura in cui coesistano due diverse fasi smettiche chirali.
14. 14. Dispositivo secondo la riv. 1 in cui i cristalli liquidi polimerici impiegati sono quelli caratterizzati dal manifestare una risposta elettroottica lineare con il campo elettrico applicato in intervalli di temperatura in cui coesistano una fase nematica ed una smettica chirale.
15. 15· Dispositivo secondo la riv. 1 in cui i cristalli liquidi polimerici impiegati sono quelli caratterizzati dal manifestare una risposta elettroottica lineare con il campo elettrico applicato in intervalli di temperatura in cui coesistano una fase smettica ed una parzialmente cristallina.
16. 16. Dispositivo secondo la riv. 1 in cui i cristalli liquidi polimerici impiegati comprendono unità mesogeniche nella catena principale, eventualmente in combinazione con segmenti spaziatori che collegano tra loro le unità mesogeniche nella catena principale del polimero, dette unità essendo scelte fra: 4,4'— bifenile, 1,4-fenilen bistereftalato, 4,4'-azobenzene, 4,4'-stilbene, 4,4’-α-metilstilbene, 4,4'-fenil benzoato; i segmenti spaziatori essendo scelti fra: segmenti alchilenici o ossialchilenici chirali con un numero di gruppi metilenici compreso tra 4 e 16.
17. 17· Dispositivo secondo la riv. 1 in cui i cristalli liquidi polimerici impiegati comprendono unità mesogeniche nelle catene laterali del polimero, eventualmente in combinazione con segmenti spaziatori che collegano le unità mesogeniche della catena laterale alla catena principale del polìmero, dette unità essendo scelte fra: 4,4'-bifenile, 1,4-fenilen bistereftalato, 4,4'-azobenzene, 4,4’-stilbene, 4,4*-α-metilstilbene, 4,4'-fenil benzoato; i segmenti spaziatori essendo scelti fra: segmenti alchilenici o ossialchilenici con un numero di gruppi metilenici compreso tra 4 e 16.
18. 18. Dispositivo secondo la riv. 16 in cui la lunghezza del segmento distanziatore è compresa tra 5 e 10 gruppi metilenici.
19. 19· Dispositivo secondo la riv. 17 in cui la lunghezza del segmento distanziatore è compresa tra 10 e 12 gruppi metilenici.
20. 20. Dispositivo secondo la riv. 16 in cui il segmento spaziatore è costituito da spaziatori chirali scelti fra quelli derivati dagli alcoli 1,3-butandiolo, propilenglicol, dipropilenglicol.
21. 21. Dispositivo secondo la riv.17 in cui le unità mesogeniche nelle catene laterali comprendono dei sostituenti chirali nella posizione 4’-.
22. 22. Dispositivo secondo la riv. 17 in cui le unità mesogeniche nelle catene laterali comprendono dei sostituenti chirali nella posizione 4'- scelte fra: 2-cloro-alcanoili chirali, 2-metilbutossi e 1-metileptilossi.
23. 23· Dispositivo secondo la riv. 1 in cui i cristalli liquidi polimerici impiegati sono polimeri reticolati.
24. 24. Dispositivo secondo la riv. 1 in cui i cristalli liquidi polimerici impiegati sono scelti fra quelli aventi le seguenti formule generali (I), (II) e (III): in cui R=H, CH3; R calchile chirale contenente almeno un atomo di C asimmetrico, alcanoile chirale contenente almeno un atomo di C asimmetrico, entrambi comprendenti un numero di atomi di carbonio variabile fra 5 e 8; n=4-l6; m=l-13; x=30-100; y=10-60; z=15-100; X=CH2, 0.
25. 25. Procedimento per la realizzazione di un dispositivo elettroottico a cristalli liquidi polimerici comprendente una pluralità di fogli di detti cristalli liquidi polimerici, in cui ciascuno di detti fogli, preparato a partire dal cristallo liquido polimerico nel suo stato meno viscoso, viene introdotto fra due substrati di supporto, detti substrati essendo distanziati fra loro di uno spessore da circa 2 pm fino a 200 pm, dopodiché la temperatura del film di cristallo liquido polimerico viene abbassata al di sotto della transizione smetticocristallino o vetroso e il substrato viene rimosso.
26. 26. Procedimento secondo la riv. 25 in cui il supporto è scelto fra lamine di plastica o vetro.
27. 27· Procedimento secondo la riv. 25 in cui lo spessore del foglio di polimero è tale da permettere di ottenere le condizioni di una lamina ottica lambda/2.
28. 28. Procedimento secondo la riv. 25 in cui la superficie interna dei substrati viene ricoperta di un film conduttore trasparente.
29. 29. Procedimento secondo la riv. 25 in cui, quando il cristallo liquido polimerico è nella sua fase smettica, il substrato viene sottoposto meccanicamente a sforzo di taglio in una direzione parallela a quella dell’allineamento preferito, per ottenere un allineamento a bookshelf.
30. 30. Procedimento secondo la riv. 25 in cui, quando il cristallo liquido polimerico è nella sua fase smettica, si applica un campo elettrico attraverso lo strato di cristallo liquido per migliorare l'allineamento.
31. 31. Impiego del dispositivo secondo la riv. 1 in riflessione e in trasmissione.
32. 32. Impiego del dispositivo secondo la riv. 1 per modulare l'intensità della luce.