聚合物分散液晶的應(yīng)用

龐曉峰

(廣東工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

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聚合物分散液晶的應(yīng)用

龐曉峰

(廣東工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

摘要聚合物分散液晶是液晶分子以微滴的形式分散于高分子聚合物中，所形成的性能優(yōu)異的一種液晶薄膜材料。文中介紹了PDLC的3大應(yīng)用領(lǐng)域，在大屏彎曲顯示方面具有傳統(tǒng)液晶顯示技術(shù)無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，是制作智能玻璃的核心材料，且可用于研制性能更好的可變光衰減器、波帶片、透鏡和調(diào)制器等重要光學(xué)器件，并指出納米摻雜是改進(jìn)PDLC性能的研究方向。聚合物分散液晶具有廣闊的應(yīng)用前景，且其生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，應(yīng)引起國(guó)內(nèi)學(xué)者足夠的重視，避免未來(lái)國(guó)外形成技術(shù)壟斷。

關(guān)鍵詞聚合物；液晶；PDLC

90年代初，美國(guó)著名的Kent州立大學(xué)液晶研究小組提出聚合物分散液晶(Polymer Dispersed Liquid Crystal, PDLC)的概念[1]。將液晶與預(yù)聚物按一定比例均勻混合后形成乳液或微膠囊，以相分離的辦法使液晶微滴均勻分散在連續(xù)相的聚合物基體內(nèi)，形成的膜被稱為PDLC膜[2]。

1PDLC膜工作原理

聚合物分散液晶膜的原理如圖1所示，兩片ITO導(dǎo)電基板之間夾著液晶與聚合物相分離后的混合物，圖中的小球表示PDLC中分散的液晶小微滴(LCs Droplet)，其余空白部分表示的是聚合物(Polymer)。當(dāng)導(dǎo)電基板兩端沒(méi)有施加電壓時(shí)，所有液晶微滴的光軸取向是雜亂無(wú)章的，同時(shí)因?yàn)橐壕У墓鈱W(xué)各向異性，導(dǎo)致光線入射到PDLC膜時(shí)發(fā)生了散射，因此

圖1　聚合物分散液晶的工作機(jī)理

肉眼看起來(lái)顯霧白不透明或半透明，如同毛玻璃；當(dāng)給基板兩端施加一定的驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，液晶微滴的長(zhǎng)軸會(huì)統(tǒng)一沿著電場(chǎng)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，最終與電場(chǎng)方向一致。當(dāng)液晶的尋常光折射率與聚合物的折射率相匹配的時(shí)候，入射光線能夠順利通過(guò)，從而PDLC膜變成透明狀態(tài)。若電場(chǎng)此時(shí)被消除，液晶微滴與聚合物間的相互作用會(huì)使LC液滴的長(zhǎng)軸指向重新變得雜亂無(wú)章，PDLC回復(fù)到不透明的散射狀態(tài)。因此，利用電壓驅(qū)動(dòng)能夠自由轉(zhuǎn)換PDLC膜的狀態(tài)。

2PDLC的應(yīng)用

聚合物分散液晶的應(yīng)用主要集中在顯示、建材和光學(xué)器件三大領(lǐng)域。

2.1顯示領(lǐng)域

60年代F.Heimeier發(fā)現(xiàn)液晶具有一系列的電光效應(yīng)，引起了當(dāng)時(shí)工業(yè)界的興趣，不久后液晶便用于研制顯示器件[3]。包括應(yīng)用于電視機(jī)、錄影投影系統(tǒng)、電子手表和儀器儀表等，10年后便形成了產(chǎn)業(yè)。液晶顯示的工作電壓很底(2～3 V)，具有功耗小、顯示信息量大、低輻射等優(yōu)異性能。到現(xiàn)在，液晶顯示已經(jīng)完全取代CRT的電子掃描式顯示屏，成為顯示領(lǐng)域的主流技術(shù)。隨著傳統(tǒng)液晶顯示器件的成熟，問(wèn)題也較為明顯：器件的啟閉速度較慢，易造成運(yùn)動(dòng)的影象重疊，偏振片的使用導(dǎo)致可視角度很小，同時(shí)亮度也受到限制，不能滿足現(xiàn)在大屏幕、高清和高分辨率的顯示要求[4]。

此時(shí)，因PDLC所具備的獨(dú)有性能，人們逐步發(fā)現(xiàn)將其應(yīng)用于顯示的可能性，可克服傳統(tǒng)液晶器件的缺陷。相比傳統(tǒng)的液晶顯示，PDLC有諸多優(yōu)點(diǎn)，其是通過(guò)調(diào)節(jié)液晶與聚合物的折射率來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的灰度顯示，PDLC制作成的顯示單元的一大特點(diǎn)是無(wú)需偏振片，從而避免了偏振所造成的吸收損耗，提高器件顯示的亮度；其次，無(wú)偏振片，能夠提高視場(chǎng)范圍，做到大角度顯示(Haze Free)；最后，無(wú)偏振片的工序，便于工業(yè)的大規(guī)模生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本。另一方面，PDLC是固態(tài)的薄膜，能夠防止像傳統(tǒng)顯示單元的液晶泄漏事故、耐沖擊，且讓顯示器的厚度便于控制，使得工程設(shè)計(jì)不再需要局限于平面化，可做曲面和平米級(jí)的大面積的顯示設(shè)計(jì)。這樣，顯示器設(shè)備或裝置不僅變得更纖薄，產(chǎn)品外觀更時(shí)尚，且生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格更低廉[5]。

PDLC膜優(yōu)異的電光特性及其快速的響應(yīng)特性，受到國(guó)內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)與小組的關(guān)注，并對(duì)其進(jìn)行了深入的研究。但目前，要制備同時(shí)具備響應(yīng)速度快、對(duì)比度高、驅(qū)動(dòng)電壓和閾值電壓低，穩(wěn)定性高的PDLC還很困難，距離實(shí)際應(yīng)用還有一定差距，目前還停留在實(shí)驗(yàn)室階段。但基于PDLC的柔性顯示在不久的將來(lái)能夠被商業(yè)化[6]。

2.2建材領(lǐng)域

隨著人們的生活水平的提高，追求家居的智能化成為一種趨勢(shì)。因此，智能窗(Smart Windows)應(yīng)運(yùn)而生。智能窗的主體材料即是基于PDLC制成的變色玻璃。通過(guò)設(shè)置，智能窗能夠控制進(jìn)入室內(nèi)的光線強(qiáng)度，使得室內(nèi)溫度和光度保持在合適的范圍內(nèi)，生活更加智能化，提高生活質(zhì)量。此外，亦廣泛用于辦公室、酒店等室內(nèi)的裝修。

PDLC制成的智能窗除了用于家居外，還可用于汽車(chē)工業(yè)市場(chǎng)，如用于汽車(chē)防炫目鏡，主要的生產(chǎn)商有：Murakami-Kaimedo，Nikon，Magna Donnelly和Gentex等，年銷(xiāo)售量接近3億平米。另外，Saint Gobaind 公司致力于生產(chǎn)亮度可調(diào)的車(chē)頂玻璃[7]。

在航空業(yè)方面，智能窗的市場(chǎng)也十分廣闊。據(jù)調(diào)查，2018年后飛機(jī)的產(chǎn)量將由1999年的13 000架增加到28 000架，飛機(jī)的制造商已經(jīng)意識(shí)到智能窗的重要性。據(jù)報(bào)道，Airbus公司宣布于A380型空中客車(chē)上安裝智能玻璃，Saint Gobain公司也展示了其產(chǎn)生的機(jī)艙智能玻璃樣品，對(duì)比度達(dá)到40，可見(jiàn)光透過(guò)率<1%[7]。

2.3光學(xué)器件

光學(xué)器件領(lǐng)域，是PDLC第3大研究應(yīng)用陣地。目前，人們已將PDLC應(yīng)用在光纖通信領(lǐng)域，包括研制可變光衰減器[8]、光開(kāi)關(guān)[9]、光柵[10]和調(diào)制器等光學(xué)器件，其基本原理是利用了聚合物分散液晶的光開(kāi)關(guān)的特性。這些新型器件比傳統(tǒng)器件可控性更強(qiáng)，且工藝簡(jiǎn)單，一直備受各國(guó)研究者的關(guān)注。

2.3.1可變光衰減器

可變光衰減器(Variable Optical Attenuator，VOA)作為纖維光學(xué)無(wú)源器件，是光通信行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵角色，具有降低波導(dǎo)傳輸功率的作用。根據(jù)用戶的需求，VOD能把光信號(hào)的能量按預(yù)期進(jìn)行衰減。例如，在通信線路或系統(tǒng)中，便可用于吸收及反射掉光功率的余量，同時(shí)評(píng)估系統(tǒng)損耗，從而能夠作出相應(yīng)的調(diào)整與校正。VOD無(wú)論在光纖通信、光纖測(cè)量系統(tǒng)或是光纖傳感器和波分復(fù)用光纖網(wǎng)絡(luò)中，應(yīng)用均較為廣泛，從而導(dǎo)致基于PDLC的VOD目前有著巨大的市場(chǎng)潛力。

2.3.2空間光調(diào)制器

Sutherland 等人在1993年研制出一種新的PDLC，被稱作H-PDLC，能應(yīng)用于制作空間光調(diào)制器(Spatial Light Modulator，SLM)，隨即引起眾多學(xué)者關(guān)注。SLM被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)將來(lái)光計(jì)算及光信息處理技術(shù)的基礎(chǔ)[11]。據(jù)不完全的統(tǒng)計(jì)，目前已研究成功被實(shí)用化的空間光調(diào)制器有40多種，而常用的幾種分別是：液晶光閥[12](Liquid Crystal Light Valve)，液晶電視LCTV和鐵電液晶空間光調(diào)制器FLCSLM。因?yàn)橐壕Ч忾y具有開(kāi)關(guān)速度快、功耗低、分辨率高、孔徑大和價(jià)格低的特點(diǎn)，從而成為空間光調(diào)制器家族中應(yīng)用最為廣泛的器件[13]。其應(yīng)用領(lǐng)域囊括：機(jī)器人視覺(jué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、航空、光學(xué)計(jì)算機(jī)、大屏幕投影、尤其在軍事中的跟蹤、預(yù)警和監(jiān)視等設(shè)備中[14]。此外，就H-PDLC在光信息存儲(chǔ)和衍射器件等領(lǐng)域的應(yīng)用也被人們廣泛研究。

2.3.3PDLC微透鏡陣列

微透鏡陣列是指由直徑為10 μm～1 000 μm的微型透鏡按一定的排列方式形成的陣列，被廣泛應(yīng)用于光通信、光學(xué)傳感、光互邊和光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域[15]。文獻(xiàn)[15]中利用聚苯乙烯(PS)和液晶(E7)通過(guò)一定方法制備成PDLC，所形成的微球球形度和分散性好，又因PS的優(yōu)良光學(xué)特性，透明度高，適合自組裝成微透鏡陣列使用。利用E7與PS在不同溫度下折射率的匹配程度的不同，可通過(guò)溫度控制透鏡陣列的透光率；另一方面，若在E7中摻入3%的光敏小分子液晶BMAB，透鏡陣列則會(huì)在可見(jiàn)光及紫外光的作用下，在透明與不透明的狀態(tài)間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。因此，該種PDLC制成的微透鏡陣列可同時(shí)作為光敏和熱敏開(kāi)關(guān)來(lái)使用。

2.3.4聚合物分散液晶菲涅爾波帶片

菲涅爾波帶片是在遠(yuǎn)程通訊、測(cè)距、以及在紅外與紫外成像等應(yīng)用領(lǐng)域重要的光學(xué)元件之一；另外，一些復(fù)雜的光學(xué)儀器中，波帶片能起到透鏡和分光器的作用，因此備受廣大研究者的重視。近年來(lái)，隨著光學(xué)微加工技術(shù)的快速崛起，不斷有先進(jìn)的波帶片被設(shè)計(jì)出來(lái)。Hongwen Ren 等基于掩模板，使用納米級(jí)的PDLC，制備出了效率高達(dá)39%的相位型菲涅爾波帶片[16]；Yun-Hsing Fan等使用電子束刻蝕技術(shù)，結(jié)合PDLC制備出一種衍射效率較高的菲涅波帶片[17]。何如雙等人[18]，利用飛秒激光在鍍鋁膜的玻璃基板上刻蝕出波帶環(huán)圖案，然后應(yīng)用溶致相分離方法制備成PDLC菲涅爾波帶片。其基本原理是，當(dāng)兩極板間無(wú)施加電壓時(shí)，液晶分子雜亂無(wú)章，波帶片呈不透明狀態(tài)；當(dāng)兩極板間施加一定電壓時(shí)，液晶分子在電場(chǎng)作用下的排列如圖2所示，在奇數(shù)波帶和偶數(shù)波帶邊緣處，因電場(chǎng)分布不均勻，從而使無(wú)鋁的區(qū)域也產(chǎn)生電場(chǎng)[19]，通過(guò)改變電壓的大小，實(shí)現(xiàn)菲涅爾波帶片焦點(diǎn)處光強(qiáng)的可控。

圖2　電場(chǎng)下的液晶分子

圖3　菲涅爾波帶片樣品

2.3.5連續(xù)變焦的PDLC電控透鏡

可調(diào)焦透鏡技術(shù)應(yīng)用比較廣泛，如可調(diào)焦眼鏡片可用于矯正視覺(jué)，在攝像機(jī)中構(gòu)成快速非機(jī)械透鏡組[20-21]，并用于裸眼立方顯示[22-23]。2012年Milton等[24]提出折射型液晶透鏡，其具有調(diào)控電壓低的特點(diǎn)，并對(duì)透鏡的折射率進(jìn)行了優(yōu)化。Che Ju Hsu與Chia Rong Sheu 用光聚合的方法制作出可調(diào)焦的同軸透鏡[25]，通過(guò)改變電壓進(jìn)行連續(xù)調(diào)焦。連續(xù)變焦的PDLC電控透鏡的基本原理如圖4所示：在PDLC的其中一塊鍍有ITO電極的基板上刻蝕出一個(gè)圓孔，形成電極的非對(duì)稱性，導(dǎo)致在兩基板中施加電壓時(shí)誘發(fā)非均勻的電場(chǎng)，使得PDLC內(nèi)部的折射率非均勻分布，從而形成電控變焦透鏡。當(dāng)光透過(guò)材料時(shí)，圓孔邊緣與中心存在光程差，從而產(chǎn)生透鏡聚焦的特性，改變電壓就能實(shí)現(xiàn)快速調(diào)控[26]。

圖4　連續(xù)變焦的PDLC電控透鏡原理

2.3.6二維聚合物分散液晶光子晶體

光子晶體(Photonic Crystal，PC)是不同介電常數(shù)周期性排列的一種人造光學(xué)微結(jié)構(gòu)，其的出現(xiàn)使人們實(shí)現(xiàn)了控制光子的夢(mèng)想，和半導(dǎo)體的電子禁帶類(lèi)似，PC中則存在光子禁帶，若光子的頻率處在禁帶內(nèi)，則不能通過(guò)PC[27]。PC的這種禁帶特點(diǎn)使得其在高速度、大通量和高密集度的全光通信網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用潛力巨大[28-29]。在制備電調(diào)諧的PC材料中，使用PDLC作為電光轉(zhuǎn)換材料。具體是利用相干激光光束照射聚合物與液晶的混合物，產(chǎn)生光致聚合相分離(PIPS)，形成聚合物與液晶周期性排列的有序結(jié)構(gòu)，其衍射場(chǎng)呈現(xiàn)空間二維點(diǎn)陣式分布，并具有各級(jí)衍射光強(qiáng)電可調(diào)諧的功能，所以能夠應(yīng)用于制作電調(diào)諧的PC激光器[30]及光互聯(lián)中的分束器、調(diào)制器及耦合器件等[31-33]需要電光轉(zhuǎn)換的領(lǐng)域。

3PDLC的納米摻雜改進(jìn)研究

各國(guó)的研究者在各領(lǐng)域不斷開(kāi)發(fā)PDLC的應(yīng)用潛力的同時(shí)，也努力嘗試尋求各種方法去提高PDLC的材料性能。PDLC與各種納米材料結(jié)合是近幾年在聚合物分散液晶方面最為前沿的課題，摻雜材料由最初的無(wú)機(jī)納米材料到金屬、金屬氧化物，摻雜這些納米材料能夠改善PDLC的對(duì)比度、驅(qū)動(dòng)電壓以及響應(yīng)時(shí)間等關(guān)鍵指標(biāo)。將O.V.Yaroshchuk加入到聚合物液晶混合物中，納米粒子與聚合物發(fā)生混合，而對(duì)液晶體相沒(méi)有影響，通過(guò)調(diào)節(jié)納米材料的含量，使聚合物的折射率發(fā)生相應(yīng)的變化，目的是使聚合物的折射率與液晶折射率匹配得更好，提高PDLC的透射率[34]。朱騰飛等把Ag納米粒子摻雜到PDLC中使得液晶相分散得更均勻，降低了驅(qū)動(dòng)電壓并大幅縮短了光電響應(yīng)時(shí)間[35]。文獻(xiàn)[36]中指出摻雜納米粒子到PDLC中，納米粒子只與聚合物混合，并對(duì)液晶光軸有較大影響，樣品的對(duì)比度得到更多的提高。

4結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，聚合物分散液晶性能優(yōu)異、生產(chǎn)簡(jiǎn)單，在諸多領(lǐng)域中的應(yīng)用前景廣闊，但因其出現(xiàn)的時(shí)間僅有20余年，尚未具備商業(yè)化實(shí)用性的條件，仍需投入大量的人力物力深入研究，且在PDLC的研究上，國(guó)內(nèi)與國(guó)外還存在一定的差距，需要廣大科研工作提高關(guān)注和研究的力度，避免未來(lái)國(guó)外形成技術(shù)壟斷。

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Application of Polymer Dispersed Liquid Crystal

PANG Xiaofeng

(School of Information Engineering，Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

AbstractPolymer dispersed liquid crystal is liquid crystal molecules in the form of droplets dispersed in the polymer, a high performance liquid thin film material is formed. This paper introduces the PDLC three application areas, a traditional large-screen liquid crystal display technology aspects curved display unparalleled advantage, and is making smart glass core material, and can be used to develop better performance of the variable optical attenuator, wave strip, lenses and optical devices and other important modulator. Finally doped nano research is to improve the performance of PDLC. Polymer-dispersed liquid crystal has a very broad application prospects, and its production process is simple, low cost, should arouse enough attention to domestic scholars to avoid future formation of monopoly of foreign technology.

Keywordspolymers; liquid crystal; PDLC

收稿日期:2015- 11- 09

作者簡(jiǎn)介:龐曉峰(1988-)，男，碩士研究生。研究方向：聚合物分散液晶。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.07.028

中圖分類(lèi)號(hào)TN104.3;O753.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1007-7820(2016)07-094-05