染料掺杂的向列相液晶智能调光器件的开关态特性

刘延国， 鞠 纯， 王 璐， 袁 冬*， 胡小文， 李 楠， 周国富,,4

(1. 华南师范大学华南先进光电子研究院， 广州 510006； 2. 华南师范大学-荷兰埃因霍温理工大学， 响应型材料与器件集成国际联合实验室， 广州 510006； 3. 深圳市国华光电科技有限公司， 深圳 518110；4. 深圳市国华光电研究院， 深圳 518110)

染料掺杂的向列相液晶智能调光器件的开关态特性

刘延国1,2， 鞠 纯1,2， 王 璐1,2， 袁 冬1,2*， 胡小文1,2， 李 楠3， 周国富1,2,3,4

(1. 华南师范大学华南先进光电子研究院， 广州 510006； 2. 华南师范大学-荷兰埃因霍温理工大学， 响应型材料与器件集成国际联合实验室， 广州 510006； 3. 深圳市国华光电科技有限公司， 深圳 518110；4. 深圳市国华光电研究院， 深圳 518110)

提出了一种染料掺杂的向列相液晶智能玻璃器件的制作过程并研究了它的开关态特性. 先在上下两基板(ITO)上涂覆聚酰亚胺取向层，将液晶平铺在下基板上，再用带有密封胶框的上基板沿同一摩擦取向方向与下基板压合，制得向列相液晶器件. 未加电场时，液晶在取向层的作用下形成平行与基板的多畴排列状态；施加电场后，液晶逐渐在电场作用转向，由平行于基板的多畴排列状态转变为垂直于基板的单畴排列状态，可见光在液晶器件中由散射转为透射，由关态转为开态，从而实现其明暗的切换. 染料质量分数与驱动电压共同影响器件的透射率. 器件开关态阈值电压随器件厚度的增大而增大，在染料液晶质量分数为5%、盒厚为30 μm时，器件的阈值电压为5 V、饱和电压为15 V，此时智能玻璃的透射率最高，明暗切换特性越好.

液晶器件； 智能玻璃； 透射率； 开关态； 染料

智能玻璃的出现为人造玻璃的制造技术带来了本质性的革新，使它达到了前所未有的新高度[1]. 与晶体相比，玻璃是一种原子及分子排列不规则的坚硬固体，它的高透明度及制作的简洁性使其成为制作窗户和杯子的理想材料. 玻璃的高透明度能带来很多便利，但同样存在不足，比如不能营造良好的观影环境和午休环境. 而能实现透明度可调的智能玻璃可从根本上解决这些问题：它能根据个人的喜好来实现明暗的切换，从而代替窗帘的作用，节约大量的布料资源；它的低电压响应特性能够极大地提高能源使用效率，减少商业建筑中的大量的电能消耗[2]；它可以用来作为屋顶、天窗、建筑玻璃等，有效地提高太阳能的利用率，例如，当阳光强烈时可以变暗以阻碍或反射太阳光从而减少用于空调的能源，当天气阴暗时可以变透明以最大程度地接受太阳光.

智能玻璃的光学性能可以通过不同化学原料或形态学上的外部刺激来改变，其中包括使用电子或离子嵌入，或光、温度及电场驱动，亦或使用电致变色材料[3-7]、悬浮粒子、聚合物分散液晶(PDLC)[8-11]等. JELLE等[12-13]基于聚苯胺、普鲁士蓝染料、三氧化钨的电致变色智能窗有良好的透射率及较好的电响应特性. SUTKA等[14]将二氧化钛纳米线掺杂到聚二甲基硅氧烷中，利用电场来实现二氧化钛纳米线的平行电场排列，从而实现其光学性能的变化.

本文首次将染料掺杂到向列相液晶中，再用上下基板压合的方式填充至液晶盒，制得液晶智能玻璃器件. 将染料掺杂到向列相液晶中能使得液晶在取向层的作用下形成平行于基板的多畴排列状态，利用电场驱动液晶由多畴转向单畴排列状态，使智能玻璃器件由散射转为透射，由关态转为开态，从而实现其明暗切换. 与聚合物分散液晶器件相比，本智能玻璃器件不需要在两电极中间加入聚合物模块，制作工艺更简单方便. 与传统智能玻璃相比，结构简便，制作简单，材料便宜，明暗切换特性较好，在玻璃幕墙、智能车窗方面有着巨大的应用前景，也可以作为智能窗帘使用，即节能又环保.

1 研究方法

1.1 基于染料掺杂的液晶填充及器件封装工艺

液晶填充及器件的封装工艺见图1. 所采用液晶为向列相液晶与染料液晶这2种主宿体混合的液晶，其中主体液晶为江西和成显示科技股份有限公司的型号为HSG14000-000的向列相液晶，宿体液晶为染料液晶，由江西和成显示科技股份有限公司提供，型号为HDP852000-000E303. 宿体液晶与主体液晶混合质量比为5%、10%、15%和25%. 先在上下两基板(ITO玻璃)上涂覆聚酰亚胺(PI)取向层[15]. 经过摩擦取向后，在室温下，再将液晶滴在下基板的聚酰亚胺层上，待液晶均匀铺开后，用带有密封胶框的上基板与下基板沿同一摩擦取向方向压合. 液晶会在压力的作用下沿各个方向分散，并逐渐填满整个器件[16]. 器件的厚度由胶框的厚度控制.

图1 液晶器件的制作流程

1.2 开关态性能测试

将染料掺杂液晶填充器件中及封装压合后，对器件进行光电测试. 图2是用于测器件透射率的示意图. 由全光谱光源发出的光(400～1 000 nm)经过光导管传输，入射器件后，透射光被积分球收集，经光纤传导，至光谱仪处理计算，便可在计算机上得到相应的透射率. 改变染料掺杂的浓度、外加电压和器件厚度，探究染料掺杂液晶器件开关态时透射率的变化，并寻找最优化的方案.

图2 器件透射率测量的示意图

2 结果与讨论

2.1 液晶器件开态与关态效果分析

染料掺杂的向列相液晶器件开关态切换原理是可见光在液晶处于多畴排列状态时会发生散射，而在液晶处于单畴排列状态时会发生透射. 未加电场时，器件处于关态,液晶在聚酰亚胺取向层的作用下，形成平行与基板的多畴排列状态(图3A)，此时可见光散射，液晶器件变得模糊，可视度降低，完全看不清器件下的文字(图3B)；当外加电场时，器件处于开态，液晶在外加电场的作用下，形成垂直与基板的单畴排列状态(图4A)，此时可见光透射，液晶器件可视度提高，可清楚观察到器件下的文字(图4B).

图3 多畴态液晶器件内部液晶结构及关态效果图

Figure 3 Schematic of multidomain of the LC mixture and Schematic of LC device in off state

图4 单畴态液晶器件内部液晶结构及开态效果图

Figure 4 Schematic of monodomain of the LC mixture and Schematic of LC device in on state

2.2 器件透射率及开关态分析

液晶器件的透射率受器件厚度、外加电压和染料掺杂质量分数共同影响. 为了研究它们与透射率之间的关系，进行了多组对比实验. 如染料掺杂质量分数为10%、采用可见光波长为550 nm时，器件厚度h对器件透射率的影响(图5)如下：(1) 器件的厚度对其开关态透射率之差影响较小，不会影响器件的开关态效果. 关态时器件透射率随着器件厚度的增加而减小；施加电压后器件转为开态，所有器件的透射率上升，然而，随着器件厚度的增加，器件的透射率逐渐减小；器件开关态透射率之差基本恒定不变，不随厚度而改变，因而不会影响液晶器件的开关态效果. (2)器件开关状态转变的阈值电压与关态时的饱和电压随器件厚度的增加而升高. 器件厚度虽然对器件开关态透射率影响较小，但却影响器件开始状态转变的阈值电压. 当器件厚度为30 μm时，明显看到器件的开关态转变在电压小于5 V时已经开始，而在13 V时达到饱和；器件厚度为40、55、70 μm时，状态转变的阈值电压约为5 V，在15 V时达到饱和；器件厚度达到90 μm时，阈值电压大于5 V，饱和电压约为20 V. 由此可见，器件厚度越大，器件开关状态转变的阈值电压与关态时的饱和电压越高(图6).

图5 器件厚度与开关态透射率的关系

Figure 5 The relation between cell thickness and transmittance in the on state and off state

图6 外加电压与开关态透射率的关系

进一步研究了不同的染料质量分数对器件光电性能的影响. 如器件厚度为90 μm、采用可见光波长为550 nm时，染料质量分数对器件的影响有以下特点：

(1)器件开关态转变的阈值电压和饱和电压与器件的染料掺杂质量分数无关. 由图7可知：当电压在0～5 V时，器件透射率为10%，与玻璃基板的透射差不多，此时液晶在聚酰亚胺取向层的作用下，形成平行于基板的多畴排列状态，可见光在多畴状态的液晶下发生散射，器件呈关态. 直至5 V左右，器件透射率才发生明显变化，此时液晶开始在外加电场下发生转向，逐渐由平行于基板的多畴排列状态转变为垂直与基板单畴排列状态，直至15 V左右，转变彻底完成，可见光在单畴状态的液晶下透射，器件呈开态. 在染料掺杂质量分数分别为5%、10%、15%时，器件开关态转变的阈值电压均约为5 V，饱和电压均约为15 V.

图7 电压与开关态透射率的关系

(2)器件的开关态透射率之差随着染料质量分数的增加而减小. 从图8可以看到：在关态时，掺杂有不同质量分数染料的器件的透射率都在15%左右，表明染料对器件关态的性能影响不大；施加外加电压后，器件转为开态，此时所有器件的透射率上升，然而，随着染料质量分数的增加，器件的透射率逐渐降低，比如，染料质量分数为5%时，透射率为75%，当染料质量分数增加到25%时，器件的透射率降低到45% 左右. 由此可见，器件的开关态透射率随着染料质量分数的增加而减小；染料质量分数在5%时，器件的开关态透射率最大，明暗切换特性越好.

图8 染料质量分数与开关态透射率的关系

Figure 8 The relation between cell dye concentration and transmittance

3 结论

本文提出了一种新型液晶智能玻璃器件的制备方法，并对其光电性能进行了研究.由实验结果可知，器件厚度对器件透射率影响较小，器件开关态透射率之差基本恒定不变，不随厚度而改变，但随着染料质量分数的增加而减小，最佳掺杂质量分数为5%时，器件开关态透射率最大，明暗切换特性越好；器件具有低电压响应特性,当阈值电压为5 V时，器件透射率开始明显变化，直到达到饱和电压15 V时，关态至开态转变彻底完成；器件厚度对阈值电压与饱和电压影响较为明显，阈值电压与饱和电压随器件厚度的增大而升高，因而在器件厚度为30 μm时，阈值电压与饱和电压最小.

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【中文责编：庄晓琼 英文审校:肖菁】

Switching Characteristic of Smart Light-Tunable Device Based on Dye-Doped Nematic Liquid Crystal

LIU Yanguo1,2， JU Chun1,2， WANG Lu1,2， YUAN Dong1,2*， HU Xiaowen1,2, LI Nan3， 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)

A light-tunable device based on dye-doped nematic liquid crystal is fabricated, and its switching cha-racteristics are investigated. The cell is made by parallel arrangement of two glass with indium tin oxide (ITO) layer. Smart glass is made by filling the mixture of dye and nematic liquid crystal into cell. After applying an electric field, electric responsive nematic liquid crystal will align parallel to electric field. The rotation of liquid crystal molecule will give rise to the movement of the dye molecule. Meanwhile, distrubution of liquid crystal molecule will change from multidomain to monodomain, which induces smart glass state changing from scattering to transparency and achieving the function of dark-brightness switch. By varying the concentration of dye, driven voltage, the smart glass exhibits different performance. Threshold voltage of device rises while cell thickness goes up. Optimized performance will be obtained with the condition of 5% dye concentration, 30 μm cell thickness, when threshold vol-tage is 5V, saturation voltage is 15 V.

liquid crystal; smart windows; transmission; switching; dye

2016-10-26 《华南师范大学学报(自然科学版)》网址：http://journal.scnu.edu.cn/n

国家自然科学基金项目(51503070,51561135014,51405166)；广东省创新科研团队 (2013C102)；教育部“长江学者和创新团队发展计划”项目(IRT13064)；广东省科技计划项目(2015A050502005)

TN141.9

A

1000-5463(2017)01-0026-05

*通讯作者:袁冬，讲师，Email:yuandong@scnu.edu.cn.