不同單體配比對聚合物網(wǎng)絡(luò)及聚合物穩(wěn)定膽甾相液晶器件光電性能的影響

張姍娜，張 俊，陸紅波

(合肥工業(yè)大學(xué) 光電技術(shù)研究院，安徽 合肥 230009)

1 引 言

聚合物穩(wěn)定膽甾相液晶(Polymer Stabilized Cholesteric Liquid Crystal，PSCLC)是將膽甾相液晶材料和可聚合液晶性單體的混合材料注入液晶盒中，在平面排列態(tài)(Planar Texture，P態(tài))或垂直排列態(tài)(Homeotropic Texture，H態(tài))用紫外光誘導(dǎo)單體聚合形成的復(fù)合材料[1]，廣泛應(yīng)用于電光窗、紅外光調(diào)節(jié)器、可調(diào)光學(xué)衰減器等領(lǐng)域，近年來成為液晶器件研究的熱點(diǎn)[2]。PSCLC 器件的光電性能強(qiáng)烈依賴于聚合物網(wǎng)絡(luò)，而聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要由單體決定。BAB6與RM257是兩種常用的單體，BAB6與液晶相容性較差，形成疏松不規(guī)整的交聯(lián)狀網(wǎng)絡(luò)形貌，對液晶分子的錨定作用力較小；而RM257與液晶相容性較好，形成取向排列的纖維狀網(wǎng)絡(luò)形貌，對液晶分子的錨定作用力較強(qiáng)。本文通過調(diào)節(jié)BAB6和RM257 2種單體含量來控制聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而調(diào)節(jié)聚合物網(wǎng)絡(luò)與液晶分子之間的錨定作用力，改善液晶器件的性能[3]。該方法無需合成新的單體，且操作簡潔、高效，可大大降低研究成本，具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 實(shí)驗(yàn)部分

將向列相液晶材料P0616A(誠志永華)，手性劑R6N(江蘇和成)，單體(RM257與BAB6，自制)，光引發(fā)劑(BME)按質(zhì)量比92.5%，2.7%，4.5%，0.3%混合均勻，在50 ℃下0.15 mW/cm2的UV光照射2 h制備常白模式PSCLC器件。單體結(jié)構(gòu)式如圖1所示，RM257與BAB6質(zhì)量配比見表1。

表1 單體RM257與BAB6配比

圖1 單體BAB6與RM257的結(jié)構(gòu)式Fig.1 Chemical structures of BAB6 and RM257

用液晶參數(shù)測試儀(LCT-5406E，中科院長春物理研究所)研究PSCLC器件的光電性能；用掃描電子顯微鏡(SEM，JSM-6490LV)觀察聚合物網(wǎng)絡(luò)形貌[4]。

3 結(jié)果與討論

掃描電子顯微鏡可以研究聚合物的網(wǎng)絡(luò)形貌(如圖2所示)，當(dāng)RM257含量較大時(shí)(圖2(a)、(b))，聚合物網(wǎng)絡(luò)由取向排列的纖維組成；當(dāng)單體RM257含量低于60%時(shí)，聚合物網(wǎng)絡(luò)形貌發(fā)生變化(圖2(c)、(d)、(e))，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷刹灰?guī)整的交聯(lián)狀結(jié)構(gòu)；當(dāng)聚合物單體全為BAB6時(shí)(圖2(f))，形成的聚合物網(wǎng)絡(luò)呈球形顆粒狀。

圖2 不同單體配比形成的聚合物網(wǎng)絡(luò)掃描電鏡圖Fig.2 SEM images of polymer network formed in samples with different monomer ratio

圖3是PSCLC的光電性能曲線。關(guān)態(tài)時(shí)，PSCLC處于P態(tài)，透過率最高約為85%；隨著驅(qū)動(dòng)電壓的增加，PSCLC逐步向FC態(tài)轉(zhuǎn)變，透過率逐漸降低；當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓大于飽和電壓，液晶分子呈FC態(tài)排列，此時(shí)PSCLC的透過率最低[5]，約為16%。由圖3可知，當(dāng)聚合物單體全為RM257時(shí)，形成取向排列的纖維狀聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，此時(shí)光電性能曲線較平緩，隨著RM257的減少，聚合物網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷刹灰?guī)整的交聯(lián)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時(shí)，光電性能曲線變的陡峭，整體向低電壓區(qū)域移動(dòng)。圖4是PSCLC器件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線，加電壓時(shí)，液晶分子由P態(tài)向FC態(tài)轉(zhuǎn)變，撤電壓時(shí)，液晶分子要回復(fù)到P態(tài)。開啟時(shí)間主要受外加電場的影響，與聚合物網(wǎng)絡(luò)關(guān)系不大[1]，而關(guān)閉時(shí)間是由聚合物網(wǎng)絡(luò)對液晶分子的錨定作用力決定的，從圖4中可以看出，隨著RM257含量的增加，由于聚合物網(wǎng)絡(luò)對液晶分子的錨定作用增強(qiáng)，因此toff逐漸減小。

圖3 不同樣品的光電性能曲線Fig.3 Electric-transmittance curves of the cells

常白模式PSCLC中，聚合物網(wǎng)絡(luò)的錨定力有利于液晶分子處于P態(tài)[6-8]，當(dāng)聚合物網(wǎng)絡(luò)為取向排列的纖維狀時(shí)，閾值電壓(Vth)較大，約為14 V；當(dāng)聚合物網(wǎng)絡(luò)由于RM257含量的減少而變?yōu)槭杷刹灰?guī)整的交聯(lián)狀時(shí)，閾值電壓減小，當(dāng)聚合物單體全為BAB6時(shí)，此時(shí)聚合物網(wǎng)絡(luò)為球型顆粒狀[9]，此時(shí)閾值電壓最小，為4.4 V；而飽和電壓(Vsat)逐漸降低，由27.2 V降低到7.1 V。PSCLC的開態(tài)透過率受單體配比影響不大，而RM257與BAB6比例對PSCLC關(guān)態(tài)透過率產(chǎn)生了重大的影響，當(dāng)RM257與BAB6比例為1：4時(shí)，關(guān)態(tài)透過率最低，因此對比度最大。

圖4 不同樣品的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線Fig.4 Dynamic response curves of the cells

不同單體配比的PSCLC器件光電性能參數(shù)見表2，當(dāng)聚合物單體全為RM257時(shí)，關(guān)閉時(shí)間為1.88 ms，當(dāng)聚合物單體全為BAB6時(shí)，關(guān)閉時(shí)間增加到163.48 ms。

表2 不同樣品的光電性能參數(shù)

4 結(jié) 論

本文通過調(diào)節(jié)不同單體比例來控制聚合物的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而改善聚合物穩(wěn)定膽甾相液晶器件的光電性能[10]。研究結(jié)果表明：聚合物單體組分中RM257含量減小時(shí)，聚合物網(wǎng)絡(luò)逐漸由取向排的纖維狀網(wǎng)絡(luò)向疏松不規(guī)整的交聯(lián)狀網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變，聚合物網(wǎng)絡(luò)對液晶分子的錨定作用減弱，因此toff增大，飽和電壓減??；當(dāng)RM257與BAB6比例為1∶4時(shí)，器件的對比度較高。通過調(diào)節(jié)RM257與BAB6配比，可調(diào)節(jié)液晶器件的性能，為制備性能優(yōu)良的光電器件提供了一種新的研究方法。

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