(74) Mandatário: (54) Epígrafe: DIFUSOR ÓPTICO BASEADO EM NANOFIBRAS DE CELULOSE E CRISTAIS LÍQUIDOS CONTROLADO POR UM CAMPO EXTERNO

Transcrição

1 (11) Número de Publicação: PT A (51) Classificação Internacional: G02B 5/02 ( ) C09K 19/02 ( ) (12) FASCÍCULO DE PATENTE DE INVENÇÃO (22) Data de pedido: (30) Prioridade(s): (43) Data de publicação do pedido: (73) Titular(es): UNIVERSIDADE NOVA DE LISBOA CAMPUS DE CAMPOLIDE LISBOA PT INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO PT INSTITUTO POLITÉCNICO DE SETÚBAL PT (45) Data e BPI da concessão: / (72) Inventor(es): MARIA HELENA FIGUEIREDO GODINHO JOÃO PAULO MIRANDA RIBEIRO BORGES SUDARSHAN KUNDU PEDRO LÚCIO MAIA MARQUES DE ALMEIDA JOÃO LUÍS MAIA FIGUEIRINHAS (74) Mandatário: PT PT PT PT PT (54) Epígrafe: DIFUSOR ÓPTICO BASEADO EM NANOFIBRAS DE CELULOSE E CRISTAIS LÍQUIDOS CONTROLADO POR UM CAMPO EXTERNO (57) Resumo: A INVENÇÃO REFERE-SE A UM NOVO DISPOSITIVO DIFUSOR ÓPTICO BASEADO EM NANOFIBRAS COM TORÇÃO ESPONTÂNEA DE CELULOSE, OU SEUS DERIVADOS, E CRISTAIS LÍQUIDOS. O DISPOSITIVO É FORMADO POR DOIS SUPORTES TRANSPARENTES (1), CONDUTORES (2) OU NÃO, NOS QUAIS SÃO DEPOSITADAS NANOFIBRAS COM TORÇÃO ESPONTÂNEA DE CELULOSE (3) OU SEUS DERIVADOS, OBTIDAS POR ELECTROFIAÇÃO A PARTIR DE SOLUÇÕES ANISOTRÓPICAS, E AS QUAIS É, POSTERIORMENTE, ADICIONADO CRISTAL LÍQUIDO (4). O CONTROLO DA ESPESSURA DO DISPOSITIVO PERMITE OBTER DIFERENTES CÉLULAS COM DIFERENTES PROPRIEDADES. A UTILIZAÇÃO DAS NANOFÍBRAS COM TORÇÃO ESPONTÂNEA DE CELULOSE COMO FORMA DE DISTORCER O CAMPO DO DIRECTOR DO CRISTAL LIQUIDO PERMITE OBTER UM GRAU DE DISTORÇÃO MAIS ELEVADO E PROPICIA A OBTENÇÃO DE DISPOSITIVOS COM CONTRASTES SUPERIORES QUANDO COMPARADOS COM DISPOSITIVOS SEMELHANTES USANDO NANOFIBRAS SEM TORÇÃO ESPONTÂNEA, É TAMBÉM MINIMIZADO O CUSTO ASSOCIADO À PRODUÇÃO DOS MESMOS. A APLICAÇÃO DE UM CAMPO EXTERNO AO DISPOSITIVO PERMITE A OBTENÇÃO DE DOIS ESTADOS, UM DE DIFUSÃO E OUTRO TRANSPARENTE. ESTE DISPOSITIVO PODERÁ SER UTILIZADO EM DIVERSAS APLICAÇÕES DE ÓPTICA, COMO POR EXEMPLO JANELAS DE TRANSPARÊNCIA CONTROLADA, VÁLVULAS DE LUZ E MOSTRADORES A CRISTAL LÍQUIDO.

2

3 Resumo Difusor Óptico baseado em nanofibras de celulose e cristais líquidos, controlado por um campo externo A invenção refere-se a um novo dispositivo difusor óptico baseado em nanofibras com torção espontânea de celulose, ou seus derivados, e cristais líquidos. O dispositivo é formado por dois suportes transparentes (I), condutores (2) ou não, nos quais são depositadas nanofibras com torção espontânea de celulose (3) ou seus derivados, obtidas por electrofiação a partir de soluções anisotrópicas, e as quais é, posteriormente, adicionado cristal líquido (4). O controlo da espessura do dispositivo permite obter diferentes células com diferentes propriedades. A utilização das nanofibras com torção espontânea de celulose como forma de distorcer o campo do director do cristal líquido permite obter um grau de distorção mais elevado e propicia a obtenção de dispositivos com contrastes superiores quando comparados com dispositivos semelhantes usando nanofibras sem torção espontânea, é também minimizado o custo associado a produção dos mesmos. A aplicação de um campo externo ao dispositivo permite a obtenção de dois estados, um de difusão e outro transparente. Este dispositivo poderá ser utilizado em diversas aplicações de óptica, como por exemplo janelas de transparência controlada, válvulas de luz e mostradores a cristal líquido.

4 Descrição Difusor óptico baseado em nanofibras de celulose e cristais líquidos, controlado por um campo externo Domínio técnico da Invenção A presente invenção refere-se a um novo tipo de difusor óptico (figura 1) que utiliza nanofibras com torção espontânea de celulose ou seus derivados, embebidas em cristal líquido e que pode ser utilizado como dispositivo electro-óptico de diferentes dimensões e funções. A originalidade deste tipo de difusor óptico reside principalmente no facto de as nanofibras apresentarem neste caso uma torção espontânea o que confere a este difusor características ópticas melhoradas que se traduzem num aumento significativo do contraste relativamente aos dispositivos semelhantes com base em fibras sem torção. As nanofibras com torção espontânea utilizadas são de celulose ou de derivados celulósicos e podem ser produzidas a partir da técnica de electrofiação (do inglês electrospinning). A utilização das nanofibras de celulose ou de derivados celulósicos que apresentam uma torção espontânea, permite distorcer de uma forma mais eficaz o campo do director do cristal líquido, e assim obter dispositivos com melhores propriedades e minimizar o custo associado a produção dos mesmos. Este dispositivo poderá ser utilizado em diversas aplicações de óptica como, por exemplo, janelas de transparência controlada, válvulas de luz, mostradores a cristal líquido (do inglês Liquid Crystal Display - LCD), etc.

5 A técnica anterior 0s dispositivos mais conhecidos cujo domínio de aplicação mais se assemelha ao do descrito nesta invenção, são os dispositivos com cristal líquido disperso numa matriz polimérica (do inglês Polymer Dispersed Liquid Crystal - PDLC), se bem que sejam totalmente distintos na sua constituição, forma de produção e modo de funcionamento. Em 1982, Craighead [I] apresentou um dispositivo que se assemelha ao que mais tarde ficou conhecido como PDLC. Na altura usou um filtro comercialmente disponível com poros na escala micrométrica, composto por uma mistura de ésteres de celulose como matriz sólida impregnada de cristal líquido. Obteve, para um ângulo de incidência perto de 0, uma transmissão máxima perto dos 10%. Devido as fracas propriedades electro-ópticas o estudo deste tipo de dispositivo não foi continuado. Em meados dos anos 80, Fergason [2] e Drzaic [3], apresentaram compósitos de polímero/cristal líquido, obtidos através da evaporação do solvente de uma solução de cristal líquido em polivinil álcool. Conseguiram, com estes dispositivos, uma transmissão máxima da ordem dos 70%. Os sistemas contendo o cristal líquido disperso em matriz polimérica diferem em vários aspectos fundamentais de outros sistemas que usam cristais líquidos no seu funcionamento. Existe um grande aumento da área superficial relativamente ao volume de cristal líquido utilizado na produção dos sistemas que compreendem o cristal líquido disperso numa matriz polimérica, isto é, devido ao facto do cristal líquido estar confinado em pequenas esferas, a quantidade de cristal líquido que é necessário para produzir um dispositivo com uma área equivalente é muito menor. Ao contrário dos sistemas que usam vidros paralelos como forma de confinar o cristal líquido, as superfícies internas de confinamento do cristal líquido, nos

6 dispositivos de cristal líquido disperso em matriz polimérica, são curvas. As superfícies curvas induzem um alinhamento e estruturas de defeitos nunca encontradas em dispositivos de vidros paralelos. Na maior parte dos dispositivos que usam cristais líquidos no seu funcionamento, o cristal líquido está uniformemente alinhado ao longo de grandes volumes, enquanto que nos dispositivos de cristal liquido disperso em matriz polimérica é possível que aconteça existir uma orientação diferente do director em cada esfera, e assim produzir-se uma grande difusão da luz incidente. Esta variação rápida da orientação do director ao longo do filme conduz a muito boas propriedades de difusão de luz. Em 1996 M.H. Godinho et. al. [4] apresentaram um novo dispositivo cujo princípio de funcionamento se assemelha ao de um dispositivo de cristal liquido disperso em matriz polimérica. A grande diferença entre estes dispositivos e os dispositivos de cristal líquido disperso em matriz polimérica, é o facto do cristal líquido nemático não estar confinado em esferas dispersas na matriz polimérica, mas sim disposto em camadas. O dispositivo consiste em duas camadas de cristal líquido ladeando uma outra de um filme polimérico derivado da celulose e o conjunto colocado entre dois suportes transparentes condutores. Estes dispositivos provaram ter propriedades electro-ópticas comparáveis com as dos dispositivos de cristal líquido disperso em matriz polimérica tradicionais. A patente Portuguesa PT descreve este dispositivo que tem semelhanças com o dispositivo descrito nesta patente de invenção mas que apresenta diferenças fundamentais. Na patente citada anteriormente os filmes de um derivado celulósico (Hidroxipropilcelulose - HPC) eram espalhados sobre um suporte de politetrafluoretileno (PTFE) e depois colocados entre duas camadas de cristal líquido e este conjunto

7 colocado entre dois suportes transparentes. Na presente invenção duas camadas de espessura nanométrica compostas for nanofibras com torção espontânea de celulose ou seus derivados são depositadas sobre os dois suportes transparentes e apenas uma única camada de reduzidas dimensões de cristal líquido é colocada entre elas. Desta forma, as propriedades ópticas do dispositivo que apresentamos são muito superiores as encontradas nos dispositivos construídos a partir de celulose em que eram utilizados filmes muito mais espessos. O método de fabrico da presente invenção é fácil de implementar e versátil podendo ser utilizado tanto em grandes superfícies (ex: janelas de transparência regulável) como em dispositivos de reduzida dimensão para aplicação na optoelectrónica e na tecnologia dos mostradores. O custo estimado para a construção deste tipo de dispositivo é inferior a qualquer outro tipo de válvulas electro-ópticas existentes actualmente devido a utilização da celulose, à produção de filmes a escala nanométrica e as quantidades de materiais envolvidos, assim como a facilidade da sua produção. A presente invenção permite optimizar os parâmetros electro-ópticos dos dispositivos produzidos para as mesmas funções e permite ainda reduzir o custo de produção dos dispositivos por utilizar quantidades muito reduzidas de material através da redução a escala nano das espessuras das camadas que constituem o difusor. A patente Americana no de 1992 descreve um dispositivo que é constituído por uma camada de fibras ou filamentos permeados por um cristal líquido que estão contidos entre suportes condutores. Estes suportes permitem a aplicação de um campo eléctrico que controla a transmissão de luz através do dispositivo. Este dispositivo tem semelhanças com o dispositivo descrito nesta patente de invenção mas apresenta uma diferença fundamental que

8 consiste no facto das fibras utilizadas no dispositivo descrito nesta patente de invenção apresentarem uma torção espontânea. A torção espontânea das fibras permite ao dispositivo descrito nesta patente de invenção apresentar propriedades ópticas melhoradas nomeadamente a nível do contraste que é superior ao possível de obter com dispositivos semelhantes que utilizam fibras sem torção espontânea. Descrição das Figuras Figura 1: a)caso em que a espessura da camada de cristal líquido é muito maior que a espessura da camada de fibras, onde pode visualizar os suportes transparentes (I), as camadas condutoras (2), as nanofibras com torção espontânea de celulose (3) e a camada de cristal líquido (4). b)caso em que a espessura da camada de cristal líquido é da mesma ordem de grandeza que a espessura da camada de fibras, onde pode visualizar os suportes transparentes (I), as camadas condutoras (2), as nanofibras com torção espontânea de celulose (3) e a camada de cristal líquido - (4) c) Caso em que a camada de fibras é muito maior que a camada de cristal líquido, onde pode visualizar os suportes transparentes (I), as camadas condutoras (2) e as nanofibras com torção espontânea de celulose (3). Descrição pormenorizada da Invenção A presente invenção refere-se a um novo difusor óptico (figura 1) que utiliza nanofibras com torção espontânea de celulose embebidas em cristais líquidos e que pode ser

9 utilizado como dispositivo electro-óptico com diferentes dimensões. Neste difusor óptico são utilizadas, pela primeira vez, nanofibras com torção espontânea de celulose, ou de um derivado celulósico. As nanofibras com torção espontânea celulósicas são produzidas por electrofiação a partir de soluções precursoras anisotrópicas. O difusor é constituído por suportes condutores ou não, transparentes, rígidos ou flexíveis, onde é depositada uma fina camada (espessura entre nm) de nanofibras com torção espontânea de celulose. Esta superfície é posteriormente embebida com um cristal líquido numa mesofase birrefringente. O conjunto de dois suportes é depois selado. 0s polímeros celulósicos utilizados para o fabrico das nanofibras com torção espontânea podem ser celulose ou derivados celulósicos comercialmente disponíveis. A obtenção das nanofibras com torção espontânea pode ser feita através da técnica de electrofiação descrita na literatura e que consta da aplicação de um campo eléctrico a uma solução polimérica, anisotrópica neste caso, que é colocada numa seringa e extrudida através de uma agulha com um diâmetro calibrado [5]. O funcionamento deste difusor óptico baseia-se no facto de o cristal líquido se encontrar numa mesofase birrefringente e apresentar uma rápida variação do seu eixo óptico local, imposta pelas irregularidades e pela torção espontânea das nanofibras celulósicas quando não está sujeito a acção dum campo eléctrico, magnético ou mecânico exterior. Nesta situação, a rápida variação espacial do eixo óptico do cristal líquido, irá difundir a luz que incidir no difusor tornando-o translúcido/opaco. Aplicando um campo externo, para o caso do campo eléctrico através dos eléctrodos condutores, o eixo óptico do cristal líquido irá alinhar-se segundo a direcção deste, ou perpendicularmente a ele,

10 conforme o cristal líquido escolhido, reduzindo-se drasticamente a difusão da luz que incide sobre a célula caso se tenham igualado o índice de refracção do polímero e o índice ordinário ou extraordinário do cristal líquido. Os cristais líquidos utilizados são os comercialmente disponíveis. Exemplo: Começa-se por lavar muito bem as superfícies dos suportes transparentes com o auxílio de uma solução de água e detergente e um banho de ultra-sons, durante 15 a 20 minutos, e posteriormente com água destilada e ultra-sons, durante mais 15 a 20 minutos. No final os suportes são passados por álcool (por exemplo, etanol) ficando a secar na vertical por alguns minutos. Posteriormente são sobre estes depositadas as nanofibras com torção espontânea de celulose, ou de um derivado celulósico, através da técnica de electrofiação. Após terem sido depositadas as fibras sobre os suportes, estes são colocados sob vácuo para optimizar a remoção do solvente ainda contido nas nanofibras com torção espontânea (idealmente 24 horas para garantir que todo o solvente foi removido). Quando todo o solvente tiver sido removido das nanofibras com torção espontânea, dois suportes com as mesmas dimensões são colados um sobre o outro, e são colados usando uma cola epoxídica, onde previamente foram dispersas (ou não, no caso de se querer a espessura mínima de cristal líquido) esferas de sílica com o diâmetro igual ao da espessura requerida para a camada de cristal líquido. Quando se colocam os suportes um sobre o outro, é necessário deixar um espaço em cada um deles, no caso de serem suportes condutores, para que esse espaço sirva de contacto eléctrico. Após a cola estar totalmente curada, é possível preencher a célula com o cristal líquido e este preenchimento faz-se por capilaridade. Começa-se por

11 aquecer a célula a uma temperatura acima da temperatura de transição cristal líquido / líquido isótropo (normalmente usa-se uma temperatura de 100 "C, mas esta temperatura depende do cristal líquido usado), para que a viscosidade do cristal líquido diminua e possa mais facilmente fluir para dentro da célula e preencher todos os espaços disponíveis. Quando a célula estiver totalmente preenchida pelo cristal líquido, que entrou por capilaridade, esta é deixada a arrefecer até a temperatura ambiente e posteriormente toda a célula é selada para tornar o sistema estanque. Para selar a célula é novamente utilizada uma cola epoxídica. Quando a cola epoxídica estiver totalmente curada, o difusor está pronto a funcionar. Referências: [I] H. G. Craighead, J. Cheng, and S. Hackwood, Applied Physics Letters 40, (1982). [2] J. L. Fergason, in U. S. Patent Documents (Manchester R & D Partnership, United States of Arnerica, 1984). [3] P. S. Drzaic, Journal of Applied Physics 60, (1986). [4] M. H. Godinho, A. F. Martins, and J. L. Figueirinhas, Liquid Crystals 20, (1996). [5] D.Li, Y.N. Xia, Advanced Materials, 16(14), 1151 (2004). Lisboa, 7 de Outubro de 2010

12 Reivindicações 1". Difusor óptico baseado em nanofibras de celulose e cristais líquidos, controlado por um campo externo, caracterizado por ser constituído por duas camadas de nanofibras celulósicas de diâmetros compreendidos entre 0.1 e 2 microns (3) e com torção espontânea, que limitam uma camada de cristal líquido (4) e estão impregnadas por este, e este conjunto, ser colocado entre dois suportes transparentes (I), rígidos ou flexíveis, condutores (2) ou não. 2". Difusor óptico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por conter nanofibras com torção espontânea da celulose ou dos seus derivados hidroxipropilcelulose (HPC), propanoato de HPC, butirato de HPC, isobutirato de HPC, pentanoato de HPC, isopentanoato de HPC, t-pentanoato de HPC, hexanoato de HPC, t-hexanoato de HPC, heptanoato de HPC, Benzoato de HPC, acetoxiprolpilcelulose, propionilpropilcelulose, acetato de celulose, metilcelulose, carboximetilcelulose. 3". Difusor óptico, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo facto de conter duas camadas de nanofibras com torção espontânea de celulose ou de derivados celulósicos, com espessuras compreendidas entre 0.1 microns e 10 microns. 4". Difusor óptico, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por ter uma espessura da camada de cristal líquido compreendida entre 0.1 mícrons e 50 mícrons. Lisboa, 7 de Outubro de 2010

13 Figura 1 a)

14 Figura 1 b)

15 Figura 1 c)