Cristalli liquidi per vetri intelligenti

Grazie alla stabilizzazione del cristallo liquido in una matrice polimerica e l’impiego di processi produttivi di laminazione in continuo, queste tecnologie, denominate genericamente "Polymer Dispersed Liquid Crystals” (PDLC), si prestano per le applicazioni dei cristalli liquidi in dispositivi di maggiore superficie e sotto la forma di pellicole flessibili, più comunemente chiamate pellicole smart.
In questo articolo presentiamo i capisaldi della tecnologia base sviluppata in Italia a livello industriale e commerciale da Innoptec^®, a partire dall’anno 2000.

Che cosa sono i cristalli liquidi
Come regola generale, i materiali utilizzati nel "Liquid Crystal Display" (LCD) e nei PDLC, sono sostanze organiche con una struttura molecolare rigida di forma allungata. La caratteristica fondamentale che distingue lo stato liquido-cristallino è costituita dal fatto che le molecole, pur comportandosi a livello macroscopico come un fluido, tendono ad orientarsi parallelamente tra loro rispetto all’asse lungo, presentando un ordine intrinseco, intermedio tra lo stato cristallino (ordine tridimensionale) e quello liquido (nessun ordine, completa isotropia).
Vedi la figura-1 per una semplice dimostrazione del comportamento liquido cristallino.

L’anisotropia della struttura molecolare è all’origine dell’anisotropia delle interazioni molecolari (scala nanometrica) che viene trasmessa a livello macromolecolare (scala micrometrica), con la creazione di una serie di interessanti effetti quali la birifrangenza o la possibilità di allineare le molecole rispetto a campi elettromagnetici esterni anche di debole intensità, o sfruttando le interazioni superficiali (interazioni delle molecole di cristallo liquido con le superfici di materiali opportunamente trattate).

Che cos'è un PDLC
Nella prima metà degli anni '80 negli USA la ricerca industriale, grazie all'inventività di James L. Fergason (150 brevetti) ed accademica (presso Kent State University) e in Italia presso l’Università della Calabria, ha portato alla comune conclusione che per superare i problemi esistenti associati con la produzione di sistemi LCD convenzionali a basso costo e per estendere le applicazioni della tecnologia dei film sottili, i cristalli liquidi (LC) possano essere contenuti (stabilizzati) da una matrice polimerica. I risultati di questa attività, presentati in brevetti e pubblicazioni, designano i sistemi stabilizzati con la denominazione generica PDLC.

Generalmente, i sistemi stabilizzati coprono un vasto intervallo di composizioni tra cristallo liquido e polimero. Le composizioni a basso contenuto di LC (fina a circa 30%) sono mono-fasiche, mentre quelle a contenuto maggiore (tra circa 30% a 80%) si presentano come bi-fasiche. Sono queste ultime le microstrutture che si prestano ad applicazioni pratiche di tipo elettro ottico. 
Uno schema di massima è riportato in figura-2.

Quindi, in una miscela con cristallo liquido dal 30 al 70% circa, avviene la separazione di fase tra i due componenti, con la formazione di una dispersione di fase “discontinua” di micro-gocce di cristallo liquido nella fase “continua” della matrice polimerica. Le forme, le dimensioni e la distribuzione delle micro-gocce dipendono dai molti parametri fisico-chimici e dal processo di separazione di fase utilizzate.
La figura-3 presenta la struttura, la morfologia ed il funzionamento elettro ottico di un tipico composto PDLC.

Allo stato di riposo (OFF-state) le micro-gocce di LC hanno orientamento casuale, provocando dispersione della luce all’interno del film PDLC, che appare quindi opaco. Le prestazioni elettroottiche di un PDLC si evidenziano sottoponendo il film ad una differenza di potenziale crescente ΔV in corrente alternata; quando ΔV raggiunge un certo valore di soglia di circa 60 volts (ON-state), il film diventa trasparente per effetto dell’orientamento dei LC nella direzione del campo elettrico, con conseguente avvicinamento o coincidenza degli indici di rifrazione del LC e del polimero. La tensione applicata in genere è fornita da corrente alternata (50-1000 Hz),

Generalmente, i tempi di risposta di PDLC, sia all’applicazione del campo (rise time) che allo spegnimento del campo stesso (decay time), variano tra 10 e 50 millisecondi.
Questi parametri elettroottici di un PDLC sono riassunti in figura-4.

I materiali impiegati nel PDLC
In questa sezione presentiamo una breve panoramica delle strutture e dei tipi di materiali e supporti impiegati per la fabbricazione di dispositivi PDLC con metodi basati sulla separazione di fase. Tra i materiali disponibili commercialmente si trova una ampia scelta di cristalli liquidi, di prepolimeri, di leganti, di supporti conduttivi. La scelta dei materiali può incidere sulla morfologia finale in maniera significativa tanto quanto la tecnica di preparazione impiegata.  

> Cristalli Liquidi
I problemi maggiori incontrati nello sviluppo di questi materiali sono rappresentati non solo dalla loro stabilità (all’umidità, alla temperatura, alla radiazione ultravioletta), ma anche dal fatto che per operare correttamente in un dispositivo questi composti devono presentare specifici e determinati valori per parametri quali la risposta elettroottica, la viscosità, la purezza, e altri.
Poiché l’insieme di tutte queste proprietà è difficilmente riscontrabile in un solo composto, abitualmente sia nei dispositivi tradizionali che in quelli PDLC vengono impiegate miscele contenenti da 4 sino a 10 componenti mesogenici diversi.
La giusta scelta del tipo di cristalli liquidi da impiegare dipende comunque in maniera determinante anche da fattori quali la solubilità nella fase polimerica, la tecnica di separazione di fase che si intende impiegare, le prestazioni finali richieste al dispositivo.

> La matrice polimerica
La matrice solida dei dispositivi PDLC è ottenuta per polimerizzazione di un monomero, di un oligomero o di un pre-polimero (PIPS), per evaporazione di un solvente (SIPS) o per raffreddamento di una miscela polimero/cristallo liquido (TIPS). Nel metodo PIPS, le cinetiche di polimerizzazione sono governate sia da reazioni radicaliche (UV-PIPS) che a stadi (TS-PIPS). Per questi scopi vengono utilizzate resine sintetiche disponibili commercialmente, quali epossidiche, viniliche, acriliche, poliuretaniche, e molte altre.
Occorre inoltre tenere presente che le proprietà della matrice polimerica, quali l’indice di rifrazione, la costante dielettrica, le proprietà meccaniche, sono decisive per la formazione e le prestazioni dei dispositivi. In generale, i polimeri utilizzati vengono classificati a seconda del metodo di preparazione come termoindurenti, UV-cureable e termoplastici.

> Supporti Conduttivi
I film PDLC vengono preparati su substrati vetrosi o plastici rivestiti con un film sottile conduttivo, di solito 300-500 nm, di ossido di indio e stagno (ITO), depositato per “sputtering”. Il principale vantaggio dell’ITO rispetto ad altri rivestimenti metallizzati giace nella sua trasparenza e nella sua stabilità chimica. Il tipo e le caratteristiche del coating e del supporto dipendono dall’uso cui è destinato il dispositivo elettroottico: i sistemi ITO-vetro sono maggiormente impiegati nei display e per la preparazione di campioni di laboratorio con dimensioni centimetriche, mentre i sistemi ITO-plastica (principalmente PET, polietilenetereftalato) vengono maggiormente utilizzati per la preparazione industriale, con sistemi roll-to-roll, di finestre e display con dimensioni dell’ordine di alcuni metri quadri. Le differenze di comportamento ottico, termico e meccanico tra il supporto in vetro e quello in materiale plastico finiscono naturalmente per incidere sulle prestazioni finali del dispositivo. 

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