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Quimica

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

Published: February 27, 2019
doi:
10.3791/59244
, , , ,
1Department of Chemistry and Biotechnology,The University of Tokyo, 2Department of Chemistry,Tsinghua University, 3RIKEN Center for Emergent Matter Science

Summary

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。

Abstract

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。

Introduction

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/βMCβM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 V24,25,26,27 ,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.

Protocol

1. コレステリック液晶混合物の調製 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。 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?…

Representative Results

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…

Discussion

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<str…

Divulgaciones

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

貴重な議論の物質科学の緊急を理化学研究所センターから但馬敬介博士を感謝いたします。この仕事の一部は東京の大学の高度な特性ナノテクノロジー プラットフォームで行われた、日本文部科学省サポートします。この仕事財政的に支えられた日本学術振興会科研費基盤研究 (S) (18 H 05260)「マルチ スケール界面分子科学に基づく革新的な機能材料」の. a. Y.I. は感謝して挑戦費探索的研究 (16 K 14062)。テーは、日本学術振興会若手科学者フェローシップをありがとうございます。

Materials

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
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Referencias

  1. Chandrasekhar, S. . Liquid Crystals. , (1992).
  2. Blinov, L. M., Chigrinov, V. G. . Electrooptic Effects in Liquid Crystal Materials. , (1994).
  3. Pieraccini, S., Masiero, S., Ferrarini, A., Spada, G. P. Chirality transfer across length-scales in nematic liquid crystals: fundamentals and applications. Chemical Society Reviews. 40 (1), 258-271 (2011).
  4. Eelkama, R., Feringa, B. L. Amplification of chirality in liquid crystals. Organic & Biomolecular Chemistry. 4 (20), 3729-3745 (2006).
  5. Wang, L., Li, Q. Stimuli-Directing self-organized 3D liquid-crystalline nanostructures: from materials design to photonic applications. Advanced Functional Materials. 26 (1), 10-28 (2016).
  6. Bisoyi, H. K., Li, Q. Light-directing chiral liquid crystal nanostructures: from 1D to 3D. Accounts of Chemical Research. 47 (10), 3184-3195 (2014).
  7. van Delden, R. A., Koumura, N., Harada, N., Feringa, B. L. Unidirectional rotary motion in a liquid crystalline environment: color tuning by a molecular motor. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 99 (8), 4945-4949 (2002).
  8. Mathews, M., Tamaoki, N. Planar chiral azobenzenophanes as chiroptic switches for photon mode reversible reflection color control in induced chiral nematic liquid crystals. Journal of the American Chemical Society. 130 (34), 11409-11416 (2008).
  9. Huang, Y., Zhou, Y., Doyle, C., Wu, S. -. T. Tuning the photonic band gap in cholesteric liquid crystals by temperature-dependent dopant solubility. Optics Express. 14 (3), 1236-1242 (2006).
  10. Hu, W., et al. Magnetite nanoparticles/chiral nematic liquid crystal composites with magnetically addressable and magnetically erasable characteristics. Liquid Crystals. 37 (5), 563-569 (2010).
  11. Han, Y., Pacheco, K., Bastiaansen, C. W. M., Broer, D. J., Sijbesma, R. P. Optical monitoring of gases with cholesteric liquid crystals. Journal of the American Chemical Society. 132 (9), 2961-2967 (2010).
  12. Kelly, J. A., et al. Responsive photonic hydrogels based on nanocrystalline cellulose. Angewandte Chemie International Edition. 52 (34), 8912-8916 (2013).
  13. Coles, H., Morris, S. Liquid-crystal lasers. Nature Photonics. 4 (10), 676-685 (2010).
  14. Xiang, J., et al. Electrically tunable laser based on oblique heliconical cholesteric liquid crystal. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 113 (46), 12925-12928 (2016).
  15. Song, M. H., et al. Effect of phase retardation on defect-mode lasing in polymeric cholesteric liquid crystals. Advanced Materials. 16 (9-10), 779-783 (2004).
  16. White, T. J., McConney, M. E., Bunning, T. J. Dynamic color in stimuli-responsive cholesteric liquid crystals. Journal of Materials Chemistry. 20 (44), 9832-9847 (2010).
  17. Bisoyi, H. K., Bunning, T. J., Li, Q. Stimuli-driven control of the helical axis of self-organized soft helical superstructures. Advanced Materials. 30 (25), 1706512 (2018).
  18. Bisoyi, H. K., Li, Q. Light-driven liquid crystalline materials: from photo-induced phase transitions and property modulations to applications. Chemical Reviews. 116 (26), 15089-15166 (2016).
  19. Tokunaga, S., Itoh, Y., Tanaka, H., Araoka, F., Aida, T. Redox-responsive chiral dopant for quick electrochemical color modulation of cholesteric liquid crystal. Journal of the American Chemical Society. 140 (35), 10946-10949 (2018).
  20. Step̌nicǩa, P. . Ferrocenes: Ligands, Materials and Biomolecules. , (2008).
  21. Togni, A., Hayashi, T. . Ferrocenes: Homogeneous Catalysis, Organic Synthesis, Materials Science. , (1995).
  22. Fukino, T., Yamagishi, H., Aida, T. Redox-responsive molecular systems and materials. Advanced Materials. 29 (25), 1603888 (2017).
  23. Goh, M., Akagi, K. Powerful helicity inducers: axially chiral binaphthyl derivatives. Liquid Crystals. 35 (8), 953-965 (2008).
  24. Xianyu, H., Faris, S., Crawford, G. P. In-plane switching of cholesteric liquid crystals for visible and near-infrared applications. Applied Optics. 43 (26), 5006-5015 (2004).
  25. Lin, T. H., et al. Electrically controllable laser based on cholesteric liquid crystal with negative dielectric anisotropy. Applied Physics Letters. 88 (6), 061122 (2006).
  26. Bailey, C. A., et al. Surface limitations to the electro-mechanical tuning range of negative dielectric anisotropy cholesteric liquid crystals. Journal of Applied Physics. 111 (6), 063111 (2012).
  27. Bailey, C. A., et al. Electromechanical tuning of cholesteric liquid crystals. Journal of Applied Physics. 107 (1), 013105 (2010).
  28. Xiang, J., et al. Electrically tunable selective reflection of light from ultraviolet to visible and infrared by heliconical cholesterics. Advanced Materials. 27 (19), 3014-3018 (2015).
  29. Hu, W., et al. Electrically controllable selective reflection of chiral nematic liquid crystal/chiral ionic liquid composites. Advanced Materials. 22 (4), 468-472 (2010).
  30. Choi, S. S., Morris, S. M. M., Huck, W. T. S., Coles, H. J. Electrically tuneable liquid crystal photonic bandgaps. Advanced Materials. 21 (38-39), 3915-3918 (2009).
  31. Tokunaga, S., et al. Electrophoretic deposition for cholesteric liquid-crystalline devices with memory and modulation of reflection colors. Advanced Materials. 28 (21), 4077-4083 (2016).
  32. Sen, M. S., Brahma, P., Roy, S. K., Mukherjee, D. K., Roy, S. B. Birefringence and order parameter of some alkyl and alkoxycyanobiphenyl liquid crystals. Molecular Crystrals and Liquid Crystals. 100 (3-4), 327-340 (1983).
  33. McConney, M. E., et al. Electrically induced color changes in polymer-stabilized cholesteric liquid crystals. Advanced Optical Materials. 1 (6), 417-421 (2013).
  34. Choi, S. S., Morris, S. M., Huck, W. T. S., Coles, H. J. The switching properties of chiral nematic liquid crystals using electrically commanded surfaces. Soft Matter. 5 (2), 354-362 (2009).
  35. Sapp, S., Luebben, S., Losovyj, Y. B., Jeppson, P., Schulz, D. L., Caruso, A. N. Work function and implications of doped poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-co-poly(ethylene glycol). Applied Physics Letters. 88 (15), 152107 (2006).
  36. Groenendaal, L., Jonas, F., Freitag, D., Pielartzik, H., Reynolds, J. R. Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) and its derivatives: past, present, and future. Advanced Materials. 12 (7), 481-494 (2000).
  37. Kirchmeyer, S., Reuter, K. Scientific importance, properties and growing applications of poly(3,4-ethylenedioxythiophene). Journal of Materials Chemistry. 15 (21), 2077-2088 (2005).

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Tokunaga, S., Zeng, M., Itoh, Y., Araoka, F., Aida, T. An Electrochemical Cholesteric Liquid Crystalline Device for Quick and Low-Voltage Color Modulation. J. Vis. Exp. (144), e59244, doi:10.3791/59244 (2019).
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