聚合物穩(wěn)定液晶調(diào)光器件厚度對(duì)其電光性能的影響

王 璐， 鞠 純， 胡小文*， 劉丹青， Reinder COEHOORN， 周國(guó)富,,4

( 1.華南師范大學(xué)華南先進(jìn)光電子研究院，廣州 510006； 2. 華南師范大學(xué)-荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)，響應(yīng)型材料與器件集成國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,廣州 510006； 3.深圳市國(guó)華光電科技有限公司，深圳 518110； 4. 深圳市國(guó)華光電研究院，深圳 518110)

聚合物穩(wěn)定液晶調(diào)光器件厚度對(duì)其電光性能的影響

王 璐1,2， 鞠 純1,2， 胡小文1,2*， 劉丹青3， Reinder COEHOORN1， 周國(guó)富1,2,3,4

( 1.華南師范大學(xué)華南先進(jìn)光電子研究院，廣州 510006； 2. 華南師范大學(xué)-荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)，響應(yīng)型材料與器件集成國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,廣州 510006； 3.深圳市國(guó)華光電科技有限公司，深圳 518110； 4. 深圳市國(guó)華光電研究院，深圳 518110)

通過(guò)采用紫外光聚合誘導(dǎo)相分離法制備聚合物穩(wěn)定液晶調(diào)光器件，利用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)來(lái)研究器件的不同厚度對(duì)聚合物穩(wěn)定液晶調(diào)光器件電光性能的影響. 結(jié)果表明：隨著器件厚度的增加，器件的關(guān)態(tài)透光率降低，閾值電壓升高，飽和電壓升高；當(dāng)器件厚度為5 μm時(shí)，聚合物穩(wěn)定液晶智能調(diào)光器件的電光性能優(yōu)良，未通電時(shí)，透光率高達(dá)97%，當(dāng)施加40 V電壓時(shí)，透光率低于10%；響應(yīng)時(shí)間非常短，靈敏度非常高，從關(guān)態(tài)到開(kāi)態(tài)響應(yīng)時(shí)間僅僅需要0.025 s，從開(kāi)態(tài)到關(guān)態(tài)響應(yīng)時(shí)間需要0.060 s. 這些優(yōu)異性能使得基于聚合物穩(wěn)定液晶的智能窗在室內(nèi)光線智能管理領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力.

聚合物穩(wěn)定液晶； 厚度； 電光性能； 響應(yīng)時(shí)間

液晶/聚合物分散物(Liquid Crystal Polymer Dispersion,LCPD)是新型液晶功能材料，液晶含量較少的稱為聚合物分散液晶(Polymer Dispersed Li-quid Crystal,PDLC)，液晶含量較多的稱為聚合物穩(wěn)定液晶(Polymer Stabilized Liquid Crystal,PSLC). PDLC智能調(diào)光器件是液晶以微米量級(jí)的小微滴分散在聚合物基體內(nèi)[1-2]，由于液晶微滴在聚合物中自由取向分布，在未施加電場(chǎng)的狀態(tài)下，器件處于關(guān)態(tài)，其液晶的折射率和聚合物基體的折射率不匹配，當(dāng)入射光通過(guò)基體時(shí)被強(qiáng)烈散射，PDLC器件呈現(xiàn)混濁的不透明狀態(tài)；施加電場(chǎng)后，器件處于開(kāi)態(tài)，液晶分子重新取向，當(dāng)液晶微滴和聚合物基體的折射率匹配時(shí)，PDLC器件處于透明狀態(tài)[3]. PSLC調(diào)光器件是以液晶材料為連續(xù)相，添加少量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%以下)交聯(lián)聚合物分散于液晶中形成的[4-6]. 在未加電場(chǎng)的情況下，由于垂直取向劑聚酰亞胺作用使液晶分子垂直基板方向排列，入射光可穿過(guò)此器件，表現(xiàn)出透明狀態(tài)；在施加電場(chǎng)的情況下，液晶分子重新取向，雜亂排列，出現(xiàn)多個(gè)分布區(qū)域，入射光將會(huì)散射或反射，PSLC調(diào)光器件表現(xiàn)出不透明狀態(tài)，這對(duì)大多數(shù)時(shí)間需要透明態(tài)的調(diào)光器件來(lái)說(shuō)更加經(jīng)濟(jì)方便. 除此以外，PSLC調(diào)光器件還有很多優(yōu)點(diǎn)，如閾值電壓較低、響應(yīng)時(shí)間短、對(duì)比度高和視角較寬，使其在光開(kāi)關(guān)、可調(diào)光衰減器、紅外調(diào)節(jié)器智能窗和顯示器等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[7-8].

近些年，對(duì)聚合物穩(wěn)定液晶調(diào)光器件電光性能的影響研究越來(lái)越受到人們的關(guān)注. 研究者們分別從液晶含量、聚合物液晶單體結(jié)構(gòu)和固化條件等因素對(duì)調(diào)光器件的電光性能的影響進(jìn)行了研究[9-14]，如研究了不同液晶含量、固化時(shí)間對(duì)PSLC的電光性能的影響，實(shí)驗(yàn)中得出隨著液晶含量的增加，樣品的關(guān)態(tài)透光率隨之增大，驅(qū)動(dòng)電壓則呈減小趨勢(shì)；隨固化時(shí)間的增加，樣品的關(guān)態(tài)透光率降低[10]. 而器件厚度對(duì)其電光性能的影響研究還鮮見(jiàn)報(bào)道. 本文主要探究聚合物穩(wěn)定液晶智能調(diào)光器件的厚度對(duì)其電光性能的影響，并分析了器件處于最優(yōu)狀態(tài)下的電光性能和響應(yīng)時(shí)間.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

干凈的ITO玻璃，負(fù)性液晶HNG30400-200(江蘇和成顯示科技股份有限公司，其光學(xué)各向異性折射率為△n=0.149)，聚合物液晶單體HCM009(結(jié)構(gòu)式如圖1所示)，光引發(fā)劑651(結(jié)構(gòu)式如圖2所示). 垂直取向劑PI(聚酰亞胺)，UV固化劑(m(spacer)∶m(UV膠)=1∶100).

圖1 HCM009的化學(xué)分子結(jié)構(gòu)式

圖2 651的化學(xué)分子結(jié)構(gòu)式

1.2 PSLC調(diào)光器件的制備

取干凈的ITO玻璃，將ITO玻璃帶電面朝上，放入U(xiǎn)V照射機(jī)中進(jìn)行臭氧照射20 min(提高玻璃表面的親水性)；取出后放在臺(tái)式勻膠機(jī)上，旋涂垂直取向的PI，轉(zhuǎn)速為2 500 r/min，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間為1 min，旋涂結(jié)束后放在90 ℃的熱臺(tái)加熱1 min，接著放在密封并通入氮?dú)獾臒崤_(tái)上，先將溫度調(diào)為105 ℃加熱30 min，再將溫度調(diào)為230 ℃加熱90 min(此過(guò)程通入氮?dú)獾哪康氖鞘篃崤_(tái)內(nèi)干燥)；待其冷卻后，將2片涂有垂直PI取向劑的ITO玻璃導(dǎo)電層相對(duì)，使用UV固化膠(球形小顆粒)控制液晶盒的厚度，并在紫外光照射條件下固化1 min得到液晶盒. 在本實(shí)驗(yàn)中，需要制作6個(gè)液晶盒，液晶盒的厚度分別為5、10、15、20、25、65 μm，將負(fù)性液晶HNG30400-200、聚合物液晶單體HCM009、光引發(fā)劑651按照質(zhì)量比為96.5%、3.0%、0.5%混合，在60 ℃條件下充分?jǐn)嚢枋蛊浠旌暇鶆?，并在熱臺(tái)為60 ℃條件下填充并保持30 min，關(guān)閉電源待其冷卻到室溫，最后在紫外光照射下固化5 min可得到PSLC器件.

1.3 樣品測(cè)試

本實(shí)驗(yàn)使用實(shí)驗(yàn)所得樣品的電光性能在紫外分光光度計(jì)(PerkinElmer UV/VIS/NIR Spectrometer)上測(cè)試，以空白ITO玻璃作參比. 響應(yīng)時(shí)間在脈沖波形(-40～0 V)下測(cè)試得到，脈沖波形由正弦波形(-20～20 V)和直流波形-20 V組成，頻率為4 Hz.

2 結(jié)果與討論

在實(shí)驗(yàn)中，保證其他實(shí)驗(yàn)條件一致，在波長(zhǎng)為550 nm的可見(jiàn)光條件下，在紫外分光光度計(jì)上測(cè)得制備厚度分別為5、10、15、20、25、65 μm的6個(gè)PSCL調(diào)光器件的電光性能曲線. 從圖3可明顯看出:(1)厚度為5 μm的PSLC調(diào)光器件的電光性能優(yōu)于其他厚度的器件，關(guān)態(tài)透過(guò)率最高，閾值電壓最低；當(dāng)電壓(U)為20 V時(shí)，透射率下降非常明顯，達(dá)到了34%；在電壓為40 V時(shí)，已經(jīng)達(dá)到了飽和狀態(tài)，透射率沒(méi)有明顯的變化. 這是由于隨著電壓的增加，重新取向的液晶越多，入射光發(fā)生散射或反射就越多，模糊程度越明顯，透射率越低. (2)厚度為65 μm的PSLC器件的電光性能最差，當(dāng)電壓為40 V時(shí)，透射率才開(kāi)始發(fā)生變化；在80 V時(shí)才能達(dá)到和其他厚度一樣的效果. 出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因如下：器件越厚，分布在調(diào)光器件的液晶混合物就越多，在不加電場(chǎng)的情況下，入射光透過(guò)器件的光線越少，所以器件的關(guān)態(tài)透過(guò)率隨著器件厚度的增加而降低；同時(shí)由于器件越厚，液晶分子越多，需要更大的電壓使其驅(qū)動(dòng)，所以閾值電壓和飽和電壓越大. 可見(jiàn)器件的厚度影響著其光電性能：當(dāng)器件厚度增加時(shí)，關(guān)態(tài)透過(guò)率降低，閾值電壓隨之升高，飽和電壓升高.

圖3 不同厚度的PSLC調(diào)光器件的光電性能曲線

Figure 3 The electro-optical properties of thesmart windows based on PSLC with different gaps

在上述實(shí)驗(yàn)中，效果最好的是厚度為5 μm的PSLC調(diào)光器件. 從圖4A可見(jiàn)：未加電壓時(shí)，在整個(gè)可見(jiàn)光區(qū)域內(nèi)，器件的透射率可達(dá)90%以上，從圖4B可以清晰地看到樣品下方的文字圖案；施加40 V電壓之后，器件的透射率降到10%以下，從圖4C可以看到樣品下方的文字圖案被完全屏蔽.

從圖5可以看出，低電壓的透射率表現(xiàn)出陡峭的斜率，高電壓透射率表現(xiàn)出平緩的斜率；電壓較低時(shí)，紫外區(qū)域(300～400 nm)和可見(jiàn)光區(qū)域(400～760 nm)的透射率變化都不明顯；當(dāng)電壓為20 V時(shí)，紫外區(qū)域和可見(jiàn)光區(qū)域的透射率都明顯降低;當(dāng)電壓為40 V時(shí)，PSLC調(diào)光器件的透射率都處于飽和狀態(tài)，再升高電壓，透射率不再發(fā)生明顯的變化. 因此可得出以下結(jié)論：在相同的波長(zhǎng)下，電壓越大，透射率越低，在不同電壓下的紫外區(qū)域中的透射率都非常低(這通常是因?yàn)榫酆衔锘|(zhì)的性質(zhì))，在不同電壓下的可見(jiàn)光區(qū)域中的透射率變化比較大.

圖4 厚度為5 μm的PSLC調(diào)光器件的透光性能及實(shí)物對(duì)照?qǐng)D

Figure 4 The transmittance of the 5 μm PSLC sample and the picture of real products

圖5 厚度為5 μm的PSLC調(diào)光器件在不同波長(zhǎng)下的透射率

Figure 5 The transmittance of the smart windows based on PSLC having a gap of 5 μm with different wavelength

以脈沖周期為0.250 s，-40～0 V施加電壓后，研究PSLC調(diào)光器件(厚度為5 μm)的響應(yīng)時(shí)間. 由圖6可知，PSLC調(diào)光器件從關(guān)態(tài)到開(kāi)態(tài)響應(yīng)時(shí)間僅僅需要0.025 s，從開(kāi)態(tài)到關(guān)態(tài)響應(yīng)時(shí)間需要0.060 s，響應(yīng)時(shí)間非常短，靈敏度非常高，這一優(yōu)異特性使其在智能窗、顯示等領(lǐng)域上有著巨大的潛在價(jià)值.

圖6 厚度為5 μm PSLC調(diào)光器件的響應(yīng)時(shí)間

Figure 6 The response time of the smart windows based on PSLC having a gap of 5 μm

3 結(jié)論

本文采用紫外光聚合誘導(dǎo)相分離法制備PSLC調(diào)光器件. 該器件在無(wú)電場(chǎng)時(shí)呈現(xiàn)透明態(tài)，在電場(chǎng)的條件下呈模糊態(tài). 與傳統(tǒng)的PDLC調(diào)光器件相比，PSLC調(diào)光器件更加經(jīng)濟(jì)方便. 通過(guò)改變器件厚度來(lái)研究厚度對(duì)PSLC調(diào)光器件的光電性能的影響， 研究結(jié)果顯示；當(dāng)器件厚度增加時(shí)，關(guān)態(tài)透過(guò)率降低，閾值電壓隨之升高，飽和電壓升高；當(dāng)器件厚度為5 μm時(shí)，其光電性能達(dá)到了最優(yōu)狀態(tài)，在波長(zhǎng)為550 nm的可見(jiàn)光下，關(guān)態(tài)透過(guò)率高達(dá)97%，當(dāng)電壓為20 V時(shí)，透射率下降非常明顯，達(dá)到34%，在電壓為40 V時(shí)，已經(jīng)達(dá)到了飽和狀態(tài)；它的響應(yīng)時(shí)間非常短，靈敏度非常高，從關(guān)態(tài)到開(kāi)態(tài)響應(yīng)時(shí)間僅僅需要0.025 s，從開(kāi)態(tài)到關(guān)態(tài)響應(yīng)時(shí)間需要0.060 s. 由于PSLC調(diào)光器件具有以上優(yōu)點(diǎn)，使其在光開(kāi)關(guān)、可調(diào)光衰減器、紅外調(diào)節(jié)器、智能窗和顯示器等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景.

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【中文責(zé)編：莊曉瓊 英文審校：肖菁】

Effect of Cell Gap on Electro-Optical Properties of a Smart Window Based on Polymer Stabilized Liquid Crystal

WANG Lu1,2， JU Chun1,2， HU Xiaowen1,2*， LIU Danqing3， Reinder COEHOORN1， ZHOU Guofu1,2,3,4

(1. Institute of Electronic Paper Displays, South China Academy of Advanced Optoelectronics, South China Normal University, Guangzhou 510006, China;2. South China Normal University-Eindhoven University of Technology， Joint Research Lab of Device Integrated Responsive Materials, Guangzhou 510006, China 3. Shenzhen Guohua Optoelectronics Tech. Co. Ltd., Shenzhen 518110, China; 4. Academy of Shenzhen Guohua Optoelectronics, Shenzhen 518110, China)

The smart windows based on polymer stabilized liquid crystal (PSLC) are prepared by photopolymerization induced phase separation. The smart windows are transparent in off state (without applied electric field), and turn into an opaque state on application of an external electric field (on state). In this study, the effects of cell gap on the electro-optical properties of smart windows based on PSLC are investigated by UV-visible spectrophotometer. The result shows that the transmittance in the OFF state decreases with the cell gap increasing, and the threshold voltage and the saturation voltage increase. When cell gap is 5μm, the electro-optical properties of smart windows based on PSLC are fine. The transmittance is up to 97% without electric field, but decreases to less than 10% under 40V of applied voltage. Furthermore, the smart window exhibits an excellent response speed, and the switching on time (from off state to on state) is 0.025s, and the switching off time (from on state to off state) is 0.06s. These superior performance makes the smart window enormous potential used as the light management inside buildings.

polymer stabilized liquid crystal; cell gap; electro-optical properties; response time

2016-10-26 《華南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)》網(wǎng)址：http://journal.scnu.edu.cn/n

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51503070，51561135014)；廣東省創(chuàng)新科研團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目 (2013C102)；教育部“長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃”項(xiàng)目(IRT13064)；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015A050502005，2016B090909001)；廣東省引進(jìn)領(lǐng)軍人才計(jì)劃資助(00201504)

TN141.9

A

1000-5463(2017)01-0031-04

*通訊作者:胡小文，講師，Email:xwhu@m.scnu.edu.cn.