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Chimica

Eine elektrochemische cholesterischen flüssig kristallinen Gerät für schnelle und Niedervolt-Farbe Modulation

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

Ein Protokoll für die Herstellung von eine reflektierende cholesterischen flüssig kristallinen Anzeige Gerät mit einer Redox-responsive chiralen Dotierstoff erlaubt einen schnellen und Niedervolt-Betrieb präsentiert wird.

Abstract

Wir zeigen eine Methode für die Herstellung von einem Prototyp reflektierende Anzeigegerät, der cholesterischen Flüssigkristalle (LC) enthält als aktive Komponente. Der cholesterischen LC besteht aus einem nematische LC 4′-Pentyloxy-4-Cyanobiphenyl (5OCB), Redox-responsive chiralen Dotierstoffen (FcD) und eine unterstützende Elektrolyt 1-Ethyl-3-Methylimidazolium Trifluoromethanesulfonate (EMIm-OTf). Die wichtigste Komponente ist FcD. Dieses Molekül ändert seine spiralförmige Drehung (HTP) Leistungswert als Reaktion auf Redox-Reaktionen. Lassen Sie deshalb an Ort und Stelle elektrochemische Redoxreaktionen in der LC-Mischung für das Gerät, seine Reflexion Farbwechsel in Reaktion auf elektrische Reize. Die LC-Mischung eingeführt wurde, durch eine Kapillarwirkung in einer Sandwich-Typ ITO Glas Zelle bestehend aus zwei Glasplatten mit gemusterten Indium-Zinn-Oxid (ITO) Elektroden, von denen mit poly(3,4-ethylenedioxythiophene) –co beschichtet wurde-Poly (Ethylen Glykol) dotiert mit Perchlorat (PEDOT+). Auf Antrag von 1,5 V, die Reflexionsfarbe des Geräts geändert von blau (467 nm) auf grün (485 nm) in 0,4 S. nachfolgende Antragstellung von 0 V das Gerät wiederherstellen die ursprüngliche blaue Farbe in 2,7 s. Dieses Gerät zeichnet sich durch seine schnellste elektrische Reaktion und niedrigste Betriebsspannung unter allen bisher berichtet cholesterischen LC-Gerät. Dieses Gerät könnte den Weg für die Entwicklung der nächsten Generation reflektierende Displays mit niedrigen Energieverbräuche ebnen.

Introduction

Cholesterischen Flüssigkristalle (LCs) sind dafür bekannt, helle Reflexionsfarben aufgrund ihrer internen spiralförmige molekulare Regelungen1,2,3,4aufweisen. Die Reflexion Wellenlänge λ richtet sich nach der spiralförmige Steigung P und dem Durchschnitt refraktiven index n der LC (λ = nP). Solche LCs erzeugt werden kann, durch Dotierung chiralen Verbindungen (chiral Dotierstoffe), nematische LCs und die spiralförmige Tonhöhe wird definiert durch die Gleichung P = 1/βMC, wo βM die spiralförmige Drehung macht (HTP ist) und C ist der Molar Bruchteil der chiralen Dotierstoff. Basierend auf dieser Idee, verschiedene chirale Dotierstoffe, die auf eine Vielzahl von Reizen wie leichte5,6,7,8, Hitze9, magnetisches Feld10und Gas11 reagieren können entwickelt wurde. Solche Eigenschaften sind möglicherweise nützlich für verschiedene Anwendungen wie z. B. Sensoren12 und Laser13,14,15 unter anderem16,17,18 .

Vor kurzem, entwickelten wir die erste Redox-responsive chiralen Dotierstoff FcD (Bild 1A)19 , die den HTP-Wert als Reaktion auf Redox-Reaktionen ändern können. FC D besteht aus einem Ferrocen-Einheit, die reversible Redox-Reaktionen20,21,22unterziehen kann, und eine Binaphthyl Einheit, die bekanntermaßen hohe HTP Wert23aufweisen. Der cholesterischen LC dotiert mit FcD, in Anwesenheit einer unterstützenden Elektrolyt kann seine Reflexion Farbwechsel innerhalb von 0,4 s und Wiederherstellen der ursprünglichen Farbe in 2,7 s auf Antrag der Spannung von + 1,5 und 0 V, beziehungsweise. Die hohe Reaktionsgeschwindigkeit und niedrige Betriebsspannung beobachtet für das Gerät noch nie da gewesenen unter einem anderen cholesterischen LC Gerät bisher gemeldet wird.

Einer der wichtigen Anwendungen der cholesterischen LCs ist reflektierende Displays, deren Energie-Verbrauch deutlich niedriger als die herkömmlichen LC-Displays ist. Zu diesem Zweck sollte cholesterischen LCs seine Reflexionsfarbe mit elektrische Reize ändern. Jedoch verwenden die meisten der bisherigen Methoden eine elektrische Kopplung zwischen der angewandten elektrische Reize und die Host-LC-Moleküle, die Hochspannung erfordert über 40 V24,25,26,27 ,28. Für den Einsatz von elektrisch reagieren chiralen Dotierstoff sind nur einige Beispiele für29,30 einschließlich unserer früheren Arbeit31, wonach auch Hochspannung mit niedrigen Reaktionsgeschwindigkeit. In Anbetracht dieser früheren Werken, die Leistung von unserem FcD-dotierten cholesterischen LC-Gerät speziell für den schnellen Farbwechsel Modulationsgeschwindigkeit (0,4 s) und niedrige Betriebsspannung (1,5 V), ist eine Pionierleistung, die stark Beitrag zur Entwicklung der nächsten Generation reflektierende Displays. In diesem ausführlichen Protokoll zeigen wir die Fertigungsprozesse und die Betriebsabläufe der Prototyp cholesterischen LC-Display-Geräte.

Protocol

1. Vorbereitung der cholesterischen LC-Mischung Fügen Sie 84,6 mg 5OCB und 5,922 mg FcD19 (3,1 Mol%, 5OCB) in eine saubere 10 mL-Glasflasche. 12,9 mg EMIm-OTF und 10 mL Dichlormethan (CH2Cl2) in eine neue saubere 10 mL Glasflasche hinzufügen und gut verrühren. Übertragen von 2,1 mL der EMIm-OTf-Lösung in die 5OCB und FcD-Glasphiole enthält. Schütteln Sie das Fläschchen um all…

Representative Results

Fotografien, Transmission Spektren und Zeit abhängige Transmission ändern Profile bei 510 nm werden gesammelt für das LC-Gerät mit FcD-dotierten (3,1 Mol%) cholesterischen LC in Anwesenheit von EMIm-OTf (3.0 Mol-%) während die Spannung Anwendung Zyklen zwischen 0 und + 1,5 V bei 37 ° C. Die LC-Gemisch mit FcD (3,1 Mo…

Discussion

Auf Antrag von + 1,5 V an die Spitze ITO-Elektrode (Abbildung 1C) erfährt FcD eine Oxidationsreaktion um FcD+zu generieren. Wie die spiralförmige Drehung macht der FcD+ (101 µm-1, Abbildung 1B) niedri…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Wir danken Dr. Keisuke Tajima aus RIKEN Center für emergente Angelegenheit Wissenschaft für wertvolle Diskussionen. Ein Teil dieser Arbeit wurde an die Advanced Charakterisierung Nanotechnologie-Plattform der Universität Tokio durchgeführt, unterstützt durch das Ministerium für Bildung, Kultur, Sport, Wissenschaft und Technologie (MEXT), Japan. Diese Arbeit wurde finanziell von einem JSPS Beihilfe für wissenschaftliche Forschung (S) (18 H 05260) auf “Innovative Funktionsmaterialien anhand Multi-Scale Grenzflächen Molecular Science” unterstützt t.a. Y.I. ist dankbar für eine JSPS Beihilfe für anspruchsvolle Explorative Forschung (16K 14062). S.T. Dank der JSPS Young Scientist Fellowship.

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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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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