應(yīng)變液晶調(diào)光顯示有機玻璃制品的制備及其應(yīng)用

丁蘭 魏巍 范志新

【摘要】為將應(yīng)變液晶調(diào)光顯示應(yīng)用于小尺寸顯示領(lǐng)域，特選用比重較小、機械強度較高的有機玻璃材料來制作樣品。制作基于應(yīng)變液晶原理。在樣品制備時，采用卡通圖案遮擋部分區(qū)域，進行初次強光較短時間曝光，得到有卡通圖案的制品，遮光處形成透明狀態(tài)，無遮光部位處于散射狀態(tài);撤掉掩膜再進行第二次弱光較長時間曝光，原透明處變?nèi)跎⑸浒胪该?，原散射處充分固化變強散射部位。樣品未受外力時，無遮光部分透過率低，遮光部分透過率高，形成顯示;對制品施加剪切應(yīng)力，整個制品變成半透明狀態(tài)，遮光部分和無遮光部分透過率均較高，顯示圖案消隱。有機玻璃樣品比玻璃樣品更適合制造玩具和旅游紀(jì)念章、會展吉祥物等小商品，具有廣泛的應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】聚合物分散液晶;應(yīng)變液晶;調(diào)光顯示;有機玻璃;應(yīng)用

The Preparation Process of Stressed Liquid Crystal Light Tunable Display Organic Glass Products and its Application

School of Electronic Engineering，Wuxi Professional College of Science and Technology ?DING Lan ?WEI Wei

College of Science，Hebei University of Technolog ?FAN Zhi-xin

Abstract：In order to use the stressed liquid crystal tunable displayer in the small size display，we prepared the sample with organic glass with a lower density and a stronger mechanical strength.The process is based on the principle of stressed liquid crystal.The sample is prepared by being exposed with cartoon pattern for shorter time in intense light.The covered area becomes transparent while the other part is in a scattering state.Next，the mask is removed and the second exposure with weak light is conducted for longer time.Then the transparent area becomes translucent because of weak scattering.And the scattering area shows strongly scattering because of completely solidified.Without applied force the uncovered area has a low transmittance while the covered area has a high transmittance，which forms displaying.When a shear stress is applied on the sample，the whole sample becomes translucent and the pattern disappears.The organic glass sample has a promising application than the normal glass one in making small commodities such as toys，tourism souvenir badges，expo mascots and so on.

Key words：Polymer disperse liquid crystal （PDLC）;stressed liquid crystal;tunable display;organic glass;application

1.引言

聚合物分散液晶因其特殊的電光效應(yīng)而被廣泛關(guān)注和研究，目前已有多種具體應(yīng)用。對聚合物分散液晶施加按壓、剪切和拉伸等應(yīng)力能夠獲得力光效應(yīng)，對此方面的研究即為應(yīng)變液晶研究。此領(lǐng)域的研究已經(jīng)出現(xiàn)了應(yīng)變液晶調(diào)光玻璃的新技術(shù)[1-8]。文獻[6]報道了用玻璃制作的應(yīng)變液晶調(diào)光玻璃顯示的實驗研究，這種特殊的調(diào)光顯示可以應(yīng)用在活動隔斷、推拉門窗、折疊玻璃、藝術(shù)屏風(fēng)等產(chǎn)品上，顯示內(nèi)容多種多樣，因此具有很大的市場前景。但由于安全性和攜帶重量方面的因素，此類產(chǎn)品很難應(yīng)用于玩具、紀(jì)念品等小型產(chǎn)品，因此采用機械強度較高、比重較小的有機玻璃來替代普通玻璃。本文實驗研究試制這種應(yīng)變液晶調(diào)光顯示有機玻璃制品，并討論其應(yīng)用前景。

2.實驗

2.1 調(diào)光玻璃樣品的試制

制備材料：

①透明導(dǎo)電玻璃（江陰勁興特種玻璃廠提供），厚度：3mm，方塊電阻：10?/□，尺寸：80mm×60mm。②液晶材料PDLC005（石家莊鹿泉新型電子材料廠提供），折射率：no=1.517，ne=1.723。③預(yù)聚物，成分：30%的環(huán)氧樹脂DCL3000，60%聚脂丙烯酸酯MR100，4%鏈轉(zhuǎn)移劑和4%的光引發(fā)劑1173，2%硫嗡鹽。④襯墊粉微球（深圳納微科技公司提供），粒徑：20?m。⑤紫外燈，功率：40W。

制備過程：

將液晶與預(yù)聚合物以2：3的質(zhì)量比例混合成液晶膠。將透明導(dǎo)電玻璃清洗干凈，用小毛刷蘸取少量襯墊粉微球均勻撒布到一片玻璃上。用注射器在玻璃片中間滴注適量的液晶膠，形成無氣泡的液滴圓斑。貼合另一片透明導(dǎo)電玻璃，兩片玻璃左右兩側(cè)留出約4mm臺階邊（方便后續(xù)用金屬夾子連接導(dǎo)線和施加應(yīng)力實驗）。用手指輕壓上片玻璃并小幅移動，使液晶膠均勻充滿在兩片玻璃間隙中，再用潔凈紙巾擦掉從玻璃側(cè)面溢出的多余液晶膠。把夾著液晶膠的兩張透明導(dǎo)電玻璃片放置于4只密排紫外燈下方，樣品距離燈管大約10cm距離，進行較強紫外光曝光，20s時發(fā)生相分離樣品由透明變成全散射白霧態(tài)，充分固化40s停止曝光。

樣品特性：

樣品在無外界條件作用時呈散射態(tài)，對該樣品施加電場時從散射態(tài)變成透明態(tài)，撤掉電場恢復(fù)散射態(tài);對該樣品施加剪切應(yīng)力時從散射態(tài)變成半透明態(tài)，撤掉應(yīng)力恢復(fù)散射態(tài)。

2.2 有機玻璃樣品的試制

制備材料：

①超白有機玻璃，厚度：2mm，尺寸：40mm×40mm。②襯墊粉微球，粒徑：10?m、20?m、30?m、45?m。其他制作材料同2.1。

制備過程：

將液晶與預(yù)聚物以0：10、3：7、3.5：6.5、4：6的質(zhì)量比例混合成液晶膠。分別使用不同粒徑襯墊料微球進行正交實驗。其他制作過程與2.1相同。

試制結(jié)果分析：

液晶加入量低于35%的樣品粘結(jié)性較好，高于35%的樣品粘結(jié)性不好。

2.3 應(yīng)變液晶調(diào)光顯示有機玻璃樣品試制

制備材料：

①有機玻璃，與2.2相同。②液晶材料、預(yù)聚物、紫外燈，與2.1相同。③襯墊粉微球，粒徑：30?m。④掩膜膠片，尺寸：40mm×40mm，圖案：麥當(dāng)勞標(biāo)志、奔馳標(biāo)志、青奧會吉祥物。

制備過程：

曝光之前工藝與2.1相同。曝光時把掩膜膠片覆蓋在樣品之上，并用透明玻璃片壓住膠片，把樣品放置在紫外光燈管下方進行曝光。曝光分為二次：初次曝光強度高，調(diào)節(jié)樣品距離燈管約在10cm左右，4支紫外燈同時曝光，曝光時間30s時，掩膜未遮蓋處由透明態(tài)變成散射霧態(tài)，遮蓋處仍是透明態(tài)，曝光時間45s時結(jié)束初次曝光;二次曝光強度低，去掉膠片掩膜及蓋壓膠片的玻璃，調(diào)節(jié)樣品距離燈管50cm，2支紫外燈曝光，曝光時間180s，使掩膜遮光部分得到充分固化，掩膜未遮光部分變成弱散射半透明態(tài)。

3.分析

3.1 調(diào)光玻璃樣品分析

實驗制備出聚合物分散液晶電控和應(yīng)變調(diào)光玻璃，用北京奧博泰科技有限公司SGT-III型透光率測定儀和SGH-II型霧度測定儀測試樣品透光率和霧度。樣品實物如圖1照片所示：圖1（a）是散射霧態(tài)，霧度95%以上，樣品后雜志圖像被完全遮擋住。圖1（b）是加電全透明態(tài)，透光率接近80%，樣品后雜志圖像清晰可見。圖1（c）是對樣品施加剪切應(yīng)力，透光率在60%以上，樣品后雜志圖像比較清晰。然而在樣品放置一周時間以后，隨著進一步的聚合固化，施加剪切應(yīng)力后樣品的透過率降低到40%以下，并且偏振度提高到90%以上。因為在偏振度不高的時候，入射光在平行偏光軸和垂直偏光軸兩個互相垂直的方向上的分量都有透過，因此測量得到的總的透光率在60%以上，而當(dāng)器件的偏振度提高到90%以上，甚至理想情況下達到100%，則只有與液晶平行方向的分量透過，因此總的透過率會減小。

3.2 有機玻璃樣品分析

對于液晶和預(yù)聚物不同的質(zhì)量比例，其實驗結(jié)果及分析為：

液晶與預(yù)聚物質(zhì)量比例為0：10，即不添加液晶材料，樣品制作過程中無論使用何種粒徑的襯墊料，都能粘結(jié)牢固。樣品外觀清澈透明。

液晶與預(yù)聚物質(zhì)量比例為3：7，樣品制作過程中無論使用何種粒徑的襯墊料，都能粘結(jié)牢固。需要較大應(yīng)力才能使上下玻璃產(chǎn)生位移，但由于樣品外觀發(fā)白，霧度不高，遮光不嚴(yán)，因此施加應(yīng)力后對比度較小，無法形成明顯對比。

液晶與預(yù)聚物質(zhì)量比例為4：6，樣品制作過程中無論使用何種粒徑的襯墊料，都無法粘接牢固。樣品霧度較高，較小的剪切應(yīng)力就可使上下玻璃產(chǎn)生位移。

液晶與預(yù)聚物質(zhì)量比例為3.5：6.5，樣品制作過程中無論使用何種粒徑的襯墊料，都能粘結(jié)牢固，施加剪切應(yīng)力可使上下玻璃產(chǎn)生位移。采用10?m襯墊料時，樣品霧度接近50%，漏光現(xiàn)象比較嚴(yán)重。采用20?m襯墊料時，樣品霧度接近80%，漏光不嚴(yán)重，施加剪切應(yīng)力后透光率接近56%。采用30?m襯墊料時，樣品霧度接近95%，基本不漏光，施加剪切應(yīng)力后透光率接近40%。采用45?m襯墊料時，樣品霧度接近98%，常態(tài)下完全不漏光，施加剪切應(yīng)力后透光率低于30%，這說明霧態(tài)遮光過強，通態(tài)透光過弱，對比度有所下降。

根據(jù)上述實驗結(jié)果，得到了制作應(yīng)變液晶顯示有機玻璃樣品的合適液晶與預(yù)聚物質(zhì)量的比例，以及對應(yīng)的合理襯墊料大小，即：液晶與預(yù)聚物質(zhì)量的合適比例為3.5：6.5，此時采用20?m的襯墊料，樣品霧度接近80%，漏光不嚴(yán)重，施加剪切應(yīng)力后透光率接近56%。

3.3 應(yīng)變液晶調(diào)光顯示有機玻璃樣品分析

采用液晶與預(yù)聚物質(zhì)量比例為3.5：6.5的配方，采用粒徑為20?m的襯墊粉微球，利用二次曝光法之多應(yīng)變液晶調(diào)光顯示有機玻璃制品。制品實物照片如圖2所示：圖2（a）是麥當(dāng)勞標(biāo)志剪切前顯示態(tài)，圖2（b）是對應(yīng)的麥當(dāng)勞標(biāo)志剪切后消隱態(tài)，背景是電腦顯示的藍(lán)底白字的“應(yīng)變液晶調(diào)光顯示有機玻璃制品”字樣。圖3（c） 是南京青奧會吉祥物砳砳剪切前顯示態(tài)，圖3（d）是對應(yīng)的砳砳剪切后消隱態(tài)，背景是電腦顯示的八仙花照片。

3.4 二次曝光分析

應(yīng)變液晶調(diào)光顯示有機玻璃制品實驗中采用二次曝光，這是由于實驗發(fā)現(xiàn)，如果僅做一次性曝光，則未遮蓋部位處于強烈散射霧態(tài)，遮蓋部位處于清澈透明態(tài)。但數(shù)小時后，沒有發(fā)生相分離的液晶膠溶液會對已經(jīng)相分離固化的聚合物產(chǎn)生溶解作用，使得圖案很快回溶化解而模糊不清。

采用二次曝光，克服了回溶現(xiàn)象。這是因為初次曝光時曝光強度大，相分離速度快，形成的液晶微滴直徑較小，同樣厚度的聚合物分散液晶層中液晶微滴個數(shù)多，液晶與聚合物的界面就多，發(fā)生散射現(xiàn)象的強度就大。二次曝光對這個部位液晶微滴直徑影響不大，只是使得聚合物固化更充分。但對于受圖案遮蓋而在初次曝光中沒有受到曝光的部位，二次曝光紫外光強度弱，曝光時間長，使得預(yù)聚物和液晶相分離的時間充分，形成的液晶微滴直徑就比較大，同樣厚度的聚合物分散液晶層中液晶微滴個數(shù)就少，液晶與聚合物的界面就少，發(fā)生散射現(xiàn)象的強度就弱，因此這個部位就比較透光，處于半透明狀態(tài)。

選取圖2（a）中局部某處散射態(tài)與半透明態(tài)交界部位實物照片和偏光顯微鏡照片如圖3所示：圖3（a）是散射態(tài)與半透明態(tài)交界部位實物照片對比，左側(cè)是散射態(tài)，右側(cè)是半透明態(tài)。圖3（b）是散射態(tài)與半透明態(tài)交界部位偏光顯微鏡正交偏光場照片對比（200×），左側(cè)是小液晶微滴散射態(tài)織構(gòu)，右側(cè)是大液晶微滴半透明態(tài)織構(gòu)。不經(jīng)過二次曝光，被圖案遮蓋住的部位正交偏光場下的偏光顯微鏡照片將是暗場而看不到聚合物分散液晶的特有織構(gòu)。

圖3 散射態(tài)和半透明態(tài)交界處二次曝光效果照片

作為初步試制實驗研究，本實驗也有一些不足之處有待改進。第一，實驗發(fā)現(xiàn)大面積的光源是造成所制作的圖案不能精細(xì)化的原因。若采用高強度（功率達數(shù)百瓦）紫外光燈泡點光源或平行光源進行曝光，或者將大面積光源通過透鏡聚焦到小范圍來實現(xiàn)點光源效果，則可望達到制作出散射態(tài)和半透明態(tài)交界處邊界分明的制作條件，從而實現(xiàn)圖案精細(xì)化。第二，預(yù)聚物的配方有很大改進空間，樣品對比度也有待優(yōu)化提高。樣品施加剪切應(yīng)力后成為散射偏光片，受原理限制，必然是一半光透射，一半光散射，不能大幅度提高顯示霧態(tài)和剪切半透明態(tài)的對比度。但通過優(yōu)化，或研究出新樣品未充分固化時，剪切后偏振度不高透光率較高的原理，并將此狀態(tài)保持下去，還是有望再把對比度提高一些。最后，如果把無機顏料彩色圖案絲印到玻璃上，還可以制作出彩色圖案調(diào)光顯示制品等。

4.結(jié)論

基于應(yīng)變液晶調(diào)光顯示玻璃原理，采用實驗得出的最佳配方：液晶與預(yù)聚物質(zhì)量比例為3.5：6.5，粒徑為20?m的襯墊粉微球，樣品霧度接近80%，漏光不嚴(yán)重，施加剪切應(yīng)力后透光率接近56%。并利用二次曝光技術(shù)制備出有機玻璃調(diào)光顯示帶圖案的小面積樣品，制品外觀為帶顯示圖案霧態(tài)，對樣品施加剪切應(yīng)力，整個制品變成半透明狀態(tài)，顯示圖案消隱。由于紫外光固化膠粘劑配方特性原因，對于玻璃粘結(jié)力強的膠對有機玻璃粘結(jié)力差，所以應(yīng)變調(diào)光顯示有機玻璃制品比玻璃制品制備難度大。有機玻璃樣品比玻璃樣品更適合制造小面積玩具和旅游紀(jì)念章、會展吉祥物等各種袖珍小商品，因此具有研究的實用價值和應(yīng)用前景。

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資助項目：無錫科技職業(yè)學(xué)院科技基金（No.RJ14025）;江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新項目。

作者簡介：丁蘭（1980—），女，江蘇無錫人，碩士，講師，從事電子和液晶顯示技術(shù)教學(xué)與實驗研究。