聚合物分散液晶的应用

庞晓峰

(广东工业大学 信息工程学院，广东 广州 510006)



聚合物分散液晶的应用

庞晓峰

(广东工业大学 信息工程学院，广东 广州 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，所形成的性能优异的一种液晶薄膜材料。文中介绍了PDLC的3大应用领域，在大屏弯曲显示方面具有传统液晶显示技术无可比拟的优势，是制作智能玻璃的核心材料，且可用于研制性能更好的可变光衰减器、波带片、透镜和调制器等重要光学器件，并指出纳米掺杂是改进PDLC性能的研究方向。聚合物分散液晶具有广阔的应用前景，且其生产工艺简单、成本低廉，应引起国内学者足够的重视，避免未来国外形成技术垄断。

关键词聚合物；液晶；PDLC

90年代初，美国著名的Kent州立大学液晶研究小组提出聚合物分散液晶(Polymer Dispersed Liquid Crystal, PDLC)的概念[1]。将液晶与预聚物按一定比例均匀混合后形成乳液或微胶囊，以相分离的办法使液晶微滴均匀分散在连续相的聚合物基体内，形成的膜被称为PDLC膜[2]。

1PDLC膜工作原理

聚合物分散液晶膜的原理如图1所示，两片ITO导电基板之间夹着液晶与聚合物相分离后的混合物，图中的小球表示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)。当导电基板两端没有施加电压时，所有液晶微滴的光轴取向是杂乱无章的，同时因为液晶的光学各向异性，导致光线入射到PDLC膜时发生了散射，因此

图1　聚合物分散液晶的工作机理

肉眼看起来显雾白不透明或半透明，如同毛玻璃；当给基板两端施加一定的驱动电压时，液晶微滴的长轴会统一沿着电场方向发生偏转，最终与电场方向一致。当液晶的寻常光折射率与聚合物的折射率相匹配的时候，入射光线能够顺利通过，从而PDLC膜变成透明状态。若电场此时被消除，液晶微滴与聚合物间的相互作用会使LC液滴的长轴指向重新变得杂乱无章，PDLC回复到不透明的散射状态。因此，利用电压驱动能够自由转换PDLC膜的状态。

2PDLC的应用

聚合物分散液晶的应用主要集中在显示、建材和光学器件三大领域。

2.1显示领域

60年代F.Heimeier发现液晶具有一系列的电光效应，引起了当时工业界的兴趣，不久后液晶便用于研制显示器件[3]。包括应用于电视机、录影投影系统、电子手表和仪器仪表等，10年后便形成了产业。液晶显示的工作电压很底(2～3 V)，具有功耗小、显示信息量大、低辐射等优异性能。到现在，液晶显示已经完全取代CRT的电子扫描式显示屏，成为显示领域的主流技术。随着传统液晶显示器件的成熟，问题也较为明显：器件的启闭速度较慢，易造成运动的影象重叠，偏振片的使用导致可视角度很小，同时亮度也受到限制，不能满足现在大屏幕、高清和高分辨率的显示要求[4]。

此时，因PDLC所具备的独有性能，人们逐步发现将其应用于显示的可能性，可克服传统液晶器件的缺陷。相比传统的液晶显示，PDLC有诸多优点，其是通过调节液晶与聚合物的折射率来实现不同的灰度显示，PDLC制作成的显示单元的一大特点是无需偏振片，从而避免了偏振所造成的吸收损耗，提高器件显示的亮度；其次，无偏振片，能够提高视场范围，做到大角度显示(Haze Free)；最后，无偏振片的工序，便于工业的大规模生产，降低生产成本。另一方面，PDLC是固态的薄膜，能够防止像传统显示单元的液晶泄漏事故、耐冲击，且让显示器的厚度便于控制，使得工程设计不再需要局限于平面化，可做曲面和平米级的大面积的显示设计。这样，显示器设备或装置不仅变得更纤薄，产品外观更时尚，且生产工艺简单，价格更低廉[5]。

PDLC膜优异的电光特性及其快速的响应特性，受到国内外很多研究机构与小组的关注，并对其进行了深入的研究。但目前，要制备同时具备响应速度快、对比度高、驱动电压和阈值电压低，稳定性高的PDLC还很困难，距离实际应用还有一定差距，目前还停留在实验室阶段。但基于PDLC的柔性显示在不久的将来能够被商业化[6]。

2.2建材领域

随着人们的生活水平的提高，追求家居的智能化成为一种趋势。因此，智能窗(Smart Windows)应运而生。智能窗的主体材料即是基于PDLC制成的变色玻璃。通过设置，智能窗能够控制进入室内的光线强度，使得室内温度和光度保持在合适的范围内，生活更加智能化，提高生活质量。此外，亦广泛用于办公室、酒店等室内的装修。

PDLC制成的智能窗除了用于家居外，还可用于汽车工业市场，如用于汽车防炫目镜，主要的生产商有：Murakami-Kaimedo，Nikon，Magna Donnelly和Gentex等，年销售量接近3亿平米。另外，Saint Gobaind 公司致力于生产亮度可调的车顶玻璃[7]。

在航空业方面，智能窗的市场也十分广阔。据调查，2018年后飞机的产量将由1999年的13 000架增加到28 000架，飞机的制造商已经意识到智能窗的重要性。据报道，Airbus公司宣布于A380型空中客车上安装智能玻璃，Saint Gobain公司也展示了其产生的机舱智能玻璃样品，对比度达到40，可见光透过率<1%[7]。

2.3光学器件

光学器件领域，是PDLC第3大研究应用阵地。目前，人们已将PDLC应用在光纤通信领域，包括研制可变光衰减器[8]、光开关[9]、光栅[10]和调制器等光学器件，其基本原理是利用了聚合物分散液晶的光开关的特性。这些新型器件比传统器件可控性更强，且工艺简单，一直备受各国研究者的关注。

2.3.1可变光衰减器

可变光衰减器(Variable Optical Attenuator，VOA)作为纤维光学无源器件，是光通信行业发展的关键角色，具有降低波导传输功率的作用。根据用户的需求，VOD能把光信号的能量按预期进行衰减。例如，在通信线路或系统中，便可用于吸收及反射掉光功率的余量，同时评估系统损耗，从而能够作出相应的调整与校正。VOD无论在光纤通信、光纤测量系统或是光纤传感器和波分复用光纤网络中，应用均较为广泛，从而导致基于PDLC的VOD目前有着巨大的市场潜力。

2.3.2空间光调制器

Sutherland 等人在1993年研制出一种新的PDLC，被称作H-PDLC，能应用于制作空间光调制器(Spatial Light Modulator，SLM)，随即引起众多学者关注。SLM被认为是实现将来光计算及光信息处理技术的基础[11]。据不完全的统计，目前已研究成功被实用化的空间光调制器有40多种，而常用的几种分别是：液晶光阀[12](Liquid Crystal Light Valve)，液晶电视LCTV和铁电液晶空间光调制器FLCSLM。因为液晶光阀具有开关速度快、功耗低、分辨率高、孔径大和价格低的特点，从而成为空间光调制器家族中应用最为广泛的器件[13]。其应用领域囊括：机器人视觉、神经网络、航空、光学计算机、大屏幕投影、尤其在军事中的跟踪、预警和监视等设备中[14]。此外，就H-PDLC在光信息存储和衍射器件等领域的应用也被人们广泛研究。

2.3.3PDLC微透镜阵列

微透镜阵列是指由直径为10 μm～1 000 μm的微型透镜按一定的排列方式形成的阵列，被广泛应用于光通信、光学传感、光互边和光学神经网络等领域[15]。文献[15]中利用聚苯乙烯(PS)和液晶(E7)通过一定方法制备成PDLC，所形成的微球球形度和分散性好，又因PS的优良光学特性，透明度高，适合自组装成微透镜阵列使用。利用E7与PS在不同温度下折射率的匹配程度的不同，可通过温度控制透镜阵列的透光率；另一方面，若在E7中掺入3%的光敏小分子液晶BMAB，透镜阵列则会在可见光及紫外光的作用下，在透明与不透明的状态间进行转换。因此，该种PDLC制成的微透镜阵列可同时作为光敏和热敏开关来使用。

2.3.4聚合物分散液晶菲涅尔波带片

菲涅尔波带片是在远程通讯、测距、以及在红外与紫外成像等应用领域重要的光学元件之一；另外，一些复杂的光学仪器中，波带片能起到透镜和分光器的作用，因此备受广大研究者的重视。近年来，随着光学微加工技术的快速崛起，不断有先进的波带片被设计出来。Hongwen Ren 等基于掩模板，使用纳米级的PDLC，制备出了效率高达39%的相位型菲涅尔波带片[16]；Yun-Hsing Fan等使用电子束刻蚀技术，结合PDLC制备出一种衍射效率较高的菲涅波带片[17]。何如双等人[18]，利用飞秒激光在镀铝膜的玻璃基板上刻蚀出波带环图案，然后应用溶致相分离方法制备成PDLC菲涅尔波带片。其基本原理是，当两极板间无施加电压时，液晶分子杂乱无章，波带片呈不透明状态；当两极板间施加一定电压时，液晶分子在电场作用下的排列如图2所示，在奇数波带和偶数波带边缘处，因电场分布不均匀，从而使无铝的区域也产生电场[19]，通过改变电压的大小，实现菲涅尔波带片焦点处光强的可控。

图2　电场下的液晶分子

图3　菲涅尔波带片样品

2.3.5连续变焦的PDLC电控透镜

可调焦透镜技术应用比较广泛，如可调焦眼镜片可用于矫正视觉，在摄像机中构成快速非机械透镜组[20-21]，并用于裸眼立方显示[22-23]。2012年Milton等[24]提出折射型液晶透镜，其具有调控电压低的特点，并对透镜的折射率进行了优化。Che Ju Hsu与Chia Rong Sheu 用光聚合的方法制作出可调焦的同轴透镜[25]，通过改变电压进行连续调焦。连续变焦的PDLC电控透镜的基本原理如图4所示：在PDLC的其中一块镀有ITO电极的基板上刻蚀出一个圆孔，形成电极的非对称性，导致在两基板中施加电压时诱发非均匀的电场，使得PDLC内部的折射率非均匀分布，从而形成电控变焦透镜。当光透过材料时，圆孔边缘与中心存在光程差，从而产生透镜聚焦的特性，改变电压就能实现快速调控[26]。

图4　连续变焦的PDLC电控透镜原理

2.3.6二维聚合物分散液晶光子晶体

光子晶体(Photonic Crystal，PC)是不同介电常数周期性排列的一种人造光学微结构，其的出现使人们实现了控制光子的梦想，和半导体的电子禁带类似，PC中则存在光子禁带，若光子的频率处在禁带内，则不能通过PC[27]。PC的这种禁带特点使得其在高速度、大通量和高密集度的全光通信网络中应用潜力巨大[28-29]。在制备电调谐的PC材料中，使用PDLC作为电光转换材料。具体是利用相干激光光束照射聚合物与液晶的混合物，产生光致聚合相分离(PIPS)，形成聚合物与液晶周期性排列的有序结构，其衍射场呈现空间二维点阵式分布，并具有各级衍射光强电可调谐的功能，所以能够应用于制作电调谐的PC激光器[30]及光互联中的分束器、调制器及耦合器件等[31-33]需要电光转换的领域。

3PDLC的纳米掺杂改进研究

各国的研究者在各领域不断开发PDLC的应用潜力的同时，也努力尝试寻求各种方法去提高PDLC的材料性能。PDLC与各种纳米材料结合是近几年在聚合物分散液晶方面最为前沿的课题，掺杂材料由最初的无机纳米材料到金属、金属氧化物，掺杂这些纳米材料能够改善PDLC的对比度、驱动电压以及响应时间等关键指标。将O.V.Yaroshchuk加入到聚合物液晶混合物中，纳米粒子与聚合物发生混合，而对液晶体相没有影响，通过调节纳米材料的含量，使聚合物的折射率发生相应的变化，目的是使聚合物的折射率与液晶折射率匹配得更好，提高PDLC的透射率[34]。朱腾飞等把Ag纳米粒子掺杂到PDLC中使得液晶相分散得更均匀，降低了驱动电压并大幅缩短了光电响应时间[35]。文献[36]中指出掺杂纳米粒子到PDLC中，纳米粒子只与聚合物混合，并对液晶光轴有较大影响，样品的对比度得到更多的提高。

4结束语

综上所述，聚合物分散液晶性能优异、生产简单，在诸多领域中的应用前景广阔，但因其出现的时间仅有20余年，尚未具备商业化实用性的条件，仍需投入大量的人力物力深入研究，且在PDLC的研究上，国内与国外还存在一定的差距，需要广大科研工作提高关注和研究的力度，避免未来国外形成技术垄断。

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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

作者简介:庞晓峰(1988-)，男，硕士研究生。研究方向：聚合物分散液晶。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.07.028

中图分类号TN104.3;O753.2

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)07-094-05