Flüssigkristalle für intelligentes Glas

12 - 07 - 2021

In den vergangenen 30 Jahren wurde auf dem Gebiet der elektrisch-optischen Folien mit Flüssigkristallen weltweit viel geforscht und experimentiert.

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Dank der Stabilisierung von Flüssigkristallen im Inneren einer Polymermatrix und dem Einsatz von Produktionsprozessen fortlaufender Laminierung ermöglichen diese Technologien, die allgemein als „Polymer Dispersed Liquid Crystals“ (PDLC) bezeichnet werden, die Verarbeitung von Flüssigkristallen im Inneren von Folien und somit die Nutzung auf großen Oberflächen. 
In diesem Bereich präsentieren wir Ihnen die wichtigsten Aspekte der Basistechnologie, die die Innoptec seit dem Jahr 2000 in Italien für Industrie und Handel entwickelt und produziert.

Was sind Flüssigkristalle?
Allgemein ausgedrückt sind die Materialien, die in „Liquid Crystal Displays“ (LCD) und PDLC verwendet werden, organische Substanzen mit stäbchenförmigen Molekülen in einer starren Struktur.  Das wichtigste Merkmal ihres flüssigkristallinen Zustands besteht darin, dass die Moleküle, obwohl sie sich aus makroskopischer Perspektive wie eine Flüssigkeit verhalten, dazu neigen, sich entlang ihrer Längsachse parallel auszurichten. Dadurch entsteht eine innere Ordnung, die zwischen dem kristallinen (dreidimensionale Ordnung) und dem flüssigen (isotrop, ohne jede Ordnung) Zustand wechseln kann. Abbildung 1 zeigt vereinfacht das flüssigkristalline Verhalten.

Flüssigkristalle für intelligentes Glas innoptec

Die Anisotropie der Molekularstruktur verursacht eine anisotrope Interaktion zwischen den Molekülen (im Nanobereich), die auf makromolekularer Ebene (im mikrometrischen Bereich) übertragen wird. Dies erzeugt eine Reihe interessanter Effekte, wie die Doppelbrechung oder die Möglichkeit, die Moleküle mithilfe externer, auch sehr schwacher, elektromagnetischer Felder auszurichten oder die Interaktionen an der Oberfläche zu nutzen (Interaktionen zwischen den Molekülen der Flüssigkristalle mit Oberflächen entsprechend behandelter Materialien).

Was ist PDLC?
In der ersten Hälfte der 1980er-Jahre gelangten die Forschung in den USA, dank der wissenschaftlichen Arbeit von  James L. Fergason (150 Patente) an der Kent State University, und in Italien an der Universität Kalabrien zu der gemeinsamen Erkenntnis, dass Flüssigkristalle (LC) in eine Polymermatrix eingeschlossen und somit stabilisiert werden können. Auf diese Weise konnten konventionelle LCD kostengünstiger produziert und die Anwendungsbereiche für Folientechnologien ausgeweitet werden.  Die Ergebnisse der Forschungsarbeit wurden in Patenten und Fachpublikationen dokumentiert, wo die Technologie allgemein als PDLC bezeichnet wird.

Generell können solche stabilisierten Systeme verschiedene Zusammensetzungen aus Polymeren und Flüssigkristallen haben.  Zusammensetzungen mit geringem Flüssigkristallanteil (bis ca. 30 %) sind einphasig, während jene mit einem höheren Anteil (zwischen ca. 30 % und 80 %) zweiphasig sind. Die letztgenannten Mikrostrukturen eignen sich für praktische Anwendungen wie zum Beispiel die Elektrooptik. 
Eine Übersicht finden Sie in Abbildung 2. 

Flüssigkristalle für intelligentes Glas innoptec

In einem Gemisch mit ca. 30 bis 70 % Flüssigkristallanteil erfolgt somit eine Phasentrennung, mit der Bildung einer „diskontinuierlichen“ Verteilung der Mikrotropfen des Flüssigkristalls in der „kontinuierlichen“ Phase der Polymermatrix. Die Form, Größe und Verteilung der Mikrotropfen ist abhängig von verschiedenen physisch-chemischen Parametern sowie vom jeweils eingesetzten Prozess der Phasentrennung. Abbildung 3 veranschaulicht die Struktur, die Morphologie und die elektrooptische Funktion einer typischen PDLC-Verbindung.

innoptec Flüssigkristalle

Im Ruhezustand (Status AUS) sind die Mikrotropfen des Flüssigkristalls zufällig angeordnet, sodass das Licht im Inneren der PDLC-Folie gestreut und die Folie somit undurchsichtig wird. Die elektrooptische Eigenschaft einer PDLC-Folie wird sichtbar, wenn sie einer steigenden Wechselstromspannung Δausgesetzt wird. Sobald die ΔSpannung einen Grenzwert von ca. 60 Volt (Status EIN) erreicht, wird die Folie transparent, weil sich die Flüssigkristalle entlang des elektrischen Feldes ausrichten und ihr Brechungsindex sich dem des Polymers annähert oder mit diesem übereinstimmt. Die angelegte Spannung wird in der Regel als Wechselstrom bereitgestellt (50 – 1.000 Hz).

Generell liegt die Reaktionszeit der PDLC, sowohl bei Aktivierung des Feldes (sog. „rise time“) als auch bei Deaktivierung (sog. „decay time“) zwischen 10 und 50 Millisekunden. Diese elektrooptischen Parameter einer PDLC-Folie sind in Abbildung 4 zusammengefasst.

innoptec Flüssigkristalle

Für PDLC-Folie verwendete Materialien
In diesem Abschnitt geben wir einen kurzen Überblick über die Strukturen und Typen der Materialien und Träger, die für die Produktion von PDLC-Folien mit Phasentrennung eingesetzt werden. Im Handel sind Flüssigkristalle, Prepolymere, Klebstoffe und leitfähige Trägermaterialien in großer Auswahl verfügbar. Die Wahl der Materialien, ebenso wie das verwendete Herstellungsverfahren, können sich erheblich auf die endgültige Morphologie auswirken.  

> Flüssigkristalle
Die größten Herausforderungen im Zusammenhang mit der Entwicklung dieser Materialien bestehen in ihrer Beständigkeit (gegen Feuchtigkeit, Temperaturen und UV-Strahlung), aber auch darin, dass für die Parameter dieser Verbundstoffe, wie die elektrooptische Reaktion, die Viskosität, die Reinheit und andere, bestimmte Werte eingehalten werden müssen. Da ein einzelner Verbundstoff niemals alle diese Eigenschaften haben kann, werden sowohl bei traditionellen Anwendungen als auch für PDLC Gemische verwendet, die 4 bis 10 verschiedene mesogene Komponenten enthalten. 
Welcher Flüssigkristalltyp die richtige Wahl ist, hängt aber auch entscheidend von anderen Faktoren ab, wie der Lösbarkeit in der   polymerischen Phase, der Technik für die Phasentrennung und der Leistung, die das Endprodukt haben soll.

> Die Polymermatrix
Die Herstellung der festen Matrix von PDLC-Folien erfolgt durch Polymerisation eines Monomers, eines Oligomers oder eines Prepolimers (PIPS), durch Verdampfen eines Lösungsmittels (SIPS) oder durch Kühlung eines Gemischs aus Polymer und Flüssigkristallen (TIPS). Bei der PIPS-Methode beruht die Reaktionskinetik der Polymerisation sowohl auf radikalischen Reaktionen (UV-PIPS) als auch Stufenreaktionen (TS-PIPS). Dafür werden handelsübliche Kunstharze verwendet, wie Epoxidharze, Vinylharze, Acrylharze, Polyurethanharze und viele andere.
Außerdem muss berücksichtigt werden, dass die Eigenschaften der Polymermatrix, wie ihr Brechungsindex, ihre Dielektrizitätskonstante und ihre mechanischen Eigenschaften, von entscheidender Bedeutung für die Leistung des Endprodukts sind. Im Allgemeinen werden die verwendeten Polymere nach ihrer Herstellungsmethode klassifiziert und in Duroplaste, UV-gehärtete Polymere und Thermoplaste gegliedert.

> Leitfähige Träger
PDLC-Folien werden auf Träger aus Glas oder Kunststoff mit einer dünnen leitfähigen Schicht aufgebracht. Diese Schicht ist in der Regel 300 bis 500 nm stark, besteht aus Indiumoxid und Zinn (ITO) und wird durch Kathodenzerstäubung (auch Sputtern) aufgetragen. Die Hauptvorteile von ITO im Vergleich zu anderen metallischen Beschichtungen bestehen in seiner Transparenz und seiner chemischen Stabilität. Die Art und die Eigenschaften der Beschichtung und des Trägermaterials hängen vom geplanten Einsatz des elektrooptischen Produkts ab. ITO/Glas-Systeme werden vorwiegend für Displays und Laborproben mit Größen im Zentimeterbereich verwendet, während ITO/Plastik-Verbindungen (vor allem mit Polyethylenterephthalat, PET) hauptsächlich für industrielle Anwendungen im Rolle-zu-Rolle-Verfahren oder Displayfenster von mehreren Quadratmetern zum Einsatz gelangen. Die Unterschiede zwischen den optischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften der Träger aus Glas und Kunststoff wirken sich natürlich ebenfalls auf die Leistung des Endprodukts aus.

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