聚合物分散液晶調(diào)光膜工作電壓分析

李 唯 吳 琴

（珠海興業(yè)新材料科技有限公司，廣東 珠海 519085）

0 引言

聚合物分散液晶（PDLC）調(diào)光膜（以下簡稱“液晶調(diào)光膜”）是2 層導電膜間復合一層PDLC 的三明治結(jié)構(gòu)。PDLC 層由聚合物網(wǎng)絡(luò)及液晶構(gòu)成，液晶以微米尺寸的液滴均勻分散在固態(tài)有機聚合物基體內(nèi)[1]。2 層導電膜可引出電極接入電源，在PDLC 兩側(cè)形成電場。當電極兩端未施加電壓時，液晶微滴指向失無序排列，有效折射率與基體的折射率不匹配，入射光線被強烈散射而呈不透明或半透明乳白態(tài)，具有較好的隱私遮蔽效果。當施加電壓時，液晶分子指向失統(tǒng)一沿電場方向排列，其尋常光折射率與基體折射率相匹配，光線可透過基體而呈透明態(tài)。除去外電場后，液晶微粒在聚合物錨定力及基體彈性能的作用下又恢復到最初的散射狀態(tài)。

液晶調(diào)光膜的電控效果主要是膜片霧度與透光率隨輸入電壓的不同而發(fā)生變化。為保證液晶調(diào)光膜處于較好的運行狀態(tài)，輸入的工作電壓應(yīng)使液晶調(diào)光膜的透光率達到飽和，同時又不能過高。作為一個類電容器結(jié)構(gòu)，過高的電壓會引起液晶調(diào)光膜擊穿或電極燒毀。該文主要結(jié)合PDLC 層飽和電壓及相關(guān)試驗數(shù)據(jù)對液晶調(diào)光膜結(jié)構(gòu)進行仿真分析，并給出液晶調(diào)光膜工作電壓的建議區(qū)間。

1 液晶調(diào)光膜樣品結(jié)構(gòu)及制作工藝

1.1 液晶調(diào)光膜常見結(jié)構(gòu)及要求

液晶調(diào)光膜常見結(jié)構(gòu)如圖1 所示。透明基材主要作為導電層的襯底，對功能層起保護作用，材質(zhì)可以是光學玻璃或光學塑料膜片[2]。目前實現(xiàn)卷對卷量產(chǎn)的廠家多采用厚度為50μm～188μm 的光學級PET 基材。導電層主要功能是接入電壓后在PDLC 兩側(cè)形成均勻電場，對導電層的主要要求是平整度高、耐彎折且方阻不高于200Ω/□。該導電層可通過在透明基材上磁控濺射ITO 鍍層、涂布納米銀線涂層、轉(zhuǎn)印銅網(wǎng)結(jié)構(gòu)等方式得到。PDLC層主要由聚合物網(wǎng)絡(luò)骨架與分散其中的液晶微滴構(gòu)成，視不同的量產(chǎn)工藝可能會添加一定比例的間隔子，厚度在5μm～30μm。一方面，PDLC 層作為2 層導電膜的黏結(jié)層，要求其與導電層具備較好的黏結(jié)力；另一方面，作為實現(xiàn)電控調(diào)光的主要功能層，為避免產(chǎn)品在加工、裝配等環(huán)節(jié)出現(xiàn)開膜問題，要求聚合物交聯(lián)固化后自身具備一定的剝離強度。

圖1 液晶調(diào)光膜結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 液晶調(diào)光膜制作工藝流程

導電膜的制作：通過磁控濺射、涂布、氣相沉積等方式在透明光學級基材上加工一層導電膜。主要監(jiān)測指標有膜層方阻、霧度、透光率及附著力。

“液晶”的混配：根據(jù)設(shè)計好的配方，將預(yù)聚物、單體、引發(fā)劑與液晶通過攪拌的方式分散均勻。對輥壓的涂布方式，還需要在液晶中添加質(zhì)量分數(shù)3‰～8‰的間隔子來控制膜層厚度。主要監(jiān)測指標由黏度及均勻性。

涂布：將混配好的液晶均勻填充到2 層導電膜之間。主要監(jiān)測指標是厚度均勻性。

固化：根據(jù)配方體系情況，通過UV 光照或加熱使“液晶”中的膠水成分發(fā)生聚合并引發(fā)相分離，制得PDLC。主要監(jiān)測指標是固化光強、固化溫度、固化時間及在線透光率。

膜片電極制作：按照圖紙要求，使用激光切割機將卷狀的液晶調(diào)光膜裁切為片狀，并分別在片膜的兩面半切出電極。用酒精將電極區(qū)域的PDLC 擦拭掉后，使用400 目網(wǎng)板印刷銀漿，烘干后黏貼銅箔，完成電極的制作。

片狀的液晶調(diào)光膜可通過自黏或夾膠的方式與玻璃結(jié)構(gòu)結(jié)合，接入電源控制系統(tǒng)后，即可以通過控制電壓的輸入對光通量進行調(diào)節(jié)。

2 試驗部分

2.1 試驗設(shè)備及材料

FP-PTR-2100I 真空卷對卷ITO 薄膜磁控濺射系統(tǒng)、RTS-5 四探針電阻儀、HDSF1600 高精密濕覆合設(shè)備、激光裁邊設(shè)備、激光半切設(shè)備、400 目網(wǎng)板、LS-116 透光率儀、數(shù)顯調(diào)壓電源、PF2010 多參數(shù)功率計、福祿克-17 萬用表。

SKC 光學級PET 基材（188μm）、ITO 靶材（In2O3∶SnO2=90 ∶10wt.%）、P1～P5 型液晶（興業(yè)新材料）、GC-SM245H銀漿、寬度為5mm 的銅箔膠。

2.2 試驗方法

調(diào)光膜的主要結(jié)構(gòu)是基材、導電層、PDLC 層型號及厚度，試驗設(shè)計通過正交試驗篩選出了部分組合方案。液晶調(diào)光膜試驗樣品編號及對應(yīng)材料詳細信息見表1。

表1 液晶調(diào)光膜樣品信息

此次試驗共選用了5款不同型號的PDLC配方（P1～P5），并添加了3 款不同粒徑的間隔粒子15μm/18μm/20μm；使用了3 款不同型號的基材（B1～B3）；使用磁控濺射設(shè)備在基材上制備了3 種不同方塊電阻的導電層（100/120/160Ω/□）。根據(jù)各液晶調(diào)光膜配方體系的固化條件要求對貼合后的膜片進行固化。按照相同的加工工藝制作了不同長度的液晶調(diào)光膜樣品，每個型號分別制作寬度為1.2m、長度為1.5m/2m/2.5m/3m 的樣品，電極位于寬邊。并參照圖2 所示方案搭建測試平臺進行測試，輸入電壓均使用60V AC。

圖2 測試方案示意圖

3 結(jié)果與討論

3.1 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)如圖3 所示。1）所有樣品的測試數(shù)據(jù)均顯示出工作電壓由液晶調(diào)光膜電極端輸入后，在電極對邊（電極遠端）均會出現(xiàn)衰減且衰減程度與樣品長度成正比。2）如圖3（a）所示，T1 與T5、T12，T2 與T3 的PDLC 配方型號不同，其他條件相同，遠端電壓衰減情況存在差異。3）如圖3（b）所示，T1 與T2，T4 與T5、T6 的PDLC 層厚度不同，其他條件相同。隨著PDLC 層厚度的降低，液晶調(diào)光膜電極遠端電壓衰減加劇。作為類電容結(jié)構(gòu)中的介質(zhì)層，PDLC 層的厚度影響結(jié)構(gòu)電容，進而影響液晶調(diào)光膜的電壓衰減。4）如圖3（c）所示，T8 與T9、T10 與T11導電膜電阻不同，其他條件相同。隨著導電膜電阻升高，液晶調(diào)光膜遠端電壓衰減加劇，表明導電膜方阻對液晶調(diào)光膜電壓衰減情況影響較大。5）如圖3（d）所示，T7 與T9、T10 基材型號不同，其他條件相同。液晶調(diào)光膜電極遠端電壓衰減情況一致，表明基材材質(zhì)對液晶調(diào)光膜電壓衰減無明顯影響。

圖3 液晶調(diào)光膜遠端電壓Uout 衰減情況

3.2 PDLC 層飽和電壓Usat 的測算

將液晶調(diào)光膜透光率達到最大透光率的95%時的電壓定義為飽和電壓Usat，如公式（1）所示。

式中：TLsat代表飽和透光率；TLmax代表最大透光率。

可通過調(diào)壓電源與LS-116 透光率儀配合測試液晶調(diào)光膜的飽和電壓。

PDLC 的飽和電壓也可以通過公式（2）估算獲得。

式中：d代表PDLC 層厚度；a代表液晶微滴的半長軸；L代表液晶微滴的長徑比；?ε代表液晶介電各向異性；K代表液晶有效彈性常數(shù)；ρp、ρLC分別代表聚合物及液晶的電阻率[3-4]。

3.3 仿真分析

結(jié)合上述試驗數(shù)據(jù)，可將液晶調(diào)光膜拆解為如圖4 所示的模型[5]。其中，電阻R1、R2表征的是導電層的相關(guān)指標，主要受導電層方塊電阻及液晶調(diào)光膜樣品長度影響，導電膜方阻越大、液晶調(diào)光膜長度越長，R1、R2阻值越高。電容C1、電阻R3表征了聚合物分散液晶層的相關(guān)指標，主要受聚合物分散液晶層厚度、絕緣電阻影響。

根據(jù)圖4 電路圖可得出液晶調(diào)光膜電極遠端的電壓Uout與輸入電壓Uin的關(guān)系：

圖4 液晶調(diào)光膜等效電路圖

大尺寸的液晶調(diào)光膜正常工作的前提是所有區(qū)域的電壓均達到飽和電壓，同時為有效降低擊穿、打火等異常發(fā)生，所有區(qū)域電壓需要不高于飽和電壓的1.2倍。因此，液晶調(diào)光膜正常工作的電壓Uin需要滿足Usat≤Uout≤1.2×Usat，如公式（4）所示。

4 結(jié)語

隨著聚合物分散液晶調(diào)光膜相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，其在常規(guī)隔斷場景的使用率逐年提升且其目前在新能源汽車天幕等新興市場中的應(yīng)用也日趨成熟。國內(nèi)外的新能源汽車市場已有數(shù)十款標配/選配液晶調(diào)光膜天幕的汽車上市。相關(guān)投行預(yù)測，2025 年前后將迎來液晶調(diào)光膜市場規(guī)模的爆發(fā)式增長[6]。結(jié)合應(yīng)用端的使用情況對液晶調(diào)光膜的光學、電學性能、溫度響應(yīng)性能進行系統(tǒng)研究，不僅可以指導產(chǎn)品使用規(guī)范的建設(shè)，還可以倒推，為新產(chǎn)品的開發(fā)提供方向。

生產(chǎn)廠家制定液晶調(diào)光膜的工作電壓時，除需要考慮PDLC 層的飽和電壓外，還需要著重考慮產(chǎn)品應(yīng)用尺寸、電極加工方式和導電層電阻情況。選擇合理的工作電壓，液晶調(diào)光膜可提供較好的視覺效果，同時也能最大程度地保障產(chǎn)品穩(wěn)定性及用電安全。