聚合物稳定液晶调光器件厚度对其电光性能的影响

王 璐， 鞠 纯， 胡小文*， 刘丹青， Reinder COEHOORN， 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)

聚合物稳定液晶调光器件厚度对其电光性能的影响

王 璐1,2， 鞠 纯1,2， 胡小文1,2*， 刘丹青3， Reinder COEHOORN1， 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)

通过采用紫外光聚合诱导相分离法制备聚合物稳定液晶调光器件，利用紫外可见分光光度计来研究器件的不同厚度对聚合物稳定液晶调光器件电光性能的影响. 结果表明：随着器件厚度的增加，器件的关态透光率降低，阈值电压升高，饱和电压升高；当器件厚度为5 μm时，聚合物稳定液晶智能调光器件的电光性能优良，未通电时，透光率高达97%，当施加40 V电压时，透光率低于10%；响应时间非常短，灵敏度非常高，从关态到开态响应时间仅仅需要0.025 s，从开态到关态响应时间需要0.060 s. 这些优异性能使得基于聚合物稳定液晶的智能窗在室内光线智能管理领域有着巨大的应用潜力.

聚合物稳定液晶； 厚度； 电光性能； 响应时间

液晶/聚合物分散物(Liquid Crystal Polymer Dispersion,LCPD)是新型液晶功能材料，液晶含量较少的称为聚合物分散液晶(Polymer Dispersed Li-quid Crystal,PDLC)，液晶含量较多的称为聚合物稳定液晶(Polymer Stabilized Liquid Crystal,PSLC). PDLC智能调光器件是液晶以微米量级的小微滴分散在聚合物基体内[1-2]，由于液晶微滴在聚合物中自由取向分布，在未施加电场的状态下，器件处于关态，其液晶的折射率和聚合物基体的折射率不匹配，当入射光通过基体时被强烈散射，PDLC器件呈现混浊的不透明状态；施加电场后，器件处于开态，液晶分子重新取向，当液晶微滴和聚合物基体的折射率匹配时，PDLC器件处于透明状态[3]. PSLC调光器件是以液晶材料为连续相，添加少量(质量分数10%以下)交联聚合物分散于液晶中形成的[4-6]. 在未加电场的情况下，由于垂直取向剂聚酰亚胺作用使液晶分子垂直基板方向排列，入射光可穿过此器件，表现出透明状态；在施加电场的情况下，液晶分子重新取向，杂乱排列，出现多个分布区域，入射光将会散射或反射，PSLC调光器件表现出不透明状态，这对大多数时间需要透明态的调光器件来说更加经济方便. 除此以外，PSLC调光器件还有很多优点，如阈值电压较低、响应时间短、对比度高和视角较宽，使其在光开关、可调光衰减器、红外调节器智能窗和显示器等领域具有广阔的应用前景[7-8].

近些年，对聚合物稳定液晶调光器件电光性能的影响研究越来越受到人们的关注. 研究者们分别从液晶含量、聚合物液晶单体结构和固化条件等因素对调光器件的电光性能的影响进行了研究[9-14]，如研究了不同液晶含量、固化时间对PSLC的电光性能的影响，实验中得出随着液晶含量的增加，样品的关态透光率随之增大，驱动电压则呈减小趋势；随固化时间的增加，样品的关态透光率降低[10]. 而器件厚度对其电光性能的影响研究还鲜见报道. 本文主要探究聚合物稳定液晶智能调光器件的厚度对其电光性能的影响，并分析了器件处于最优状态下的电光性能和响应时间.

1 实验

1.1 实验原料

干净的ITO玻璃，负性液晶HNG30400-200(江苏和成显示科技股份有限公司，其光学各向异性折射率为△n=0.149)，聚合物液晶单体HCM009(结构式如图1所示)，光引发剂651(结构式如图2所示). 垂直取向剂PI(聚酰亚胺)，UV固化剂(m(spacer)∶m(UV胶)=1∶100).

图1 HCM009的化学分子结构式

图2 651的化学分子结构式

1.2 PSLC调光器件的制备

取干净的ITO玻璃，将ITO玻璃带电面朝上，放入UV照射机中进行臭氧照射20 min(提高玻璃表面的亲水性)；取出后放在台式匀胶机上，旋涂垂直取向的PI，转速为2 500 r/min，转动时间为1 min，旋涂结束后放在90 ℃的热台加热1 min，接着放在密封并通入氮气的热台上，先将温度调为105 ℃加热30 min，再将温度调为230 ℃加热90 min(此过程通入氮气的目的是使热台内干燥)；待其冷却后，将2片涂有垂直PI取向剂的ITO玻璃导电层相对，使用UV固化胶(球形小颗粒)控制液晶盒的厚度，并在紫外光照射条件下固化1 min得到液晶盒. 在本实验中，需要制作6个液晶盒，液晶盒的厚度分别为5、10、15、20、25、65 μm，将负性液晶HNG30400-200、聚合物液晶单体HCM009、光引发剂651按照质量比为96.5%、3.0%、0.5%混合，在60 ℃条件下充分搅拌使其混合均匀，并在热台为60 ℃条件下填充并保持30 min，关闭电源待其冷却到室温，最后在紫外光照射下固化5 min可得到PSLC器件.

1.3 样品测试

本实验使用实验所得样品的电光性能在紫外分光光度计(PerkinElmer UV/VIS/NIR Spectrometer)上测试，以空白ITO玻璃作参比. 响应时间在脉冲波形(-40～0 V)下测试得到，脉冲波形由正弦波形(-20～20 V)和直流波形-20 V组成，频率为4 Hz.

2 结果与讨论

在实验中，保证其他实验条件一致，在波长为550 nm的可见光条件下，在紫外分光光度计上测得制备厚度分别为5、10、15、20、25、65 μm的6个PSCL调光器件的电光性能曲线. 从图3可明显看出:(1)厚度为5 μm的PSLC调光器件的电光性能优于其他厚度的器件，关态透过率最高，阈值电压最低；当电压(U)为20 V时，透射率下降非常明显，达到了34%；在电压为40 V时，已经达到了饱和状态，透射率没有明显的变化. 这是由于随着电压的增加，重新取向的液晶越多，入射光发生散射或反射就越多，模糊程度越明显，透射率越低. (2)厚度为65 μm的PSLC器件的电光性能最差，当电压为40 V时，透射率才开始发生变化；在80 V时才能达到和其他厚度一样的效果. 出现这一现象的原因如下：器件越厚，分布在调光器件的液晶混合物就越多，在不加电场的情况下，入射光透过器件的光线越少，所以器件的关态透过率随着器件厚度的增加而降低；同时由于器件越厚，液晶分子越多，需要更大的电压使其驱动，所以阈值电压和饱和电压越大. 可见器件的厚度影响着其光电性能：当器件厚度增加时，关态透过率降低，阈值电压随之升高，饱和电压升高.

图3 不同厚度的PSLC调光器件的光电性能曲线

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

在上述实验中，效果最好的是厚度为5 μm的PSLC调光器件. 从图4A可见：未加电压时，在整个可见光区域内，器件的透射率可达90%以上，从图4B可以清晰地看到样品下方的文字图案；施加40 V电压之后，器件的透射率降到10%以下，从图4C可以看到样品下方的文字图案被完全屏蔽.

从图5可以看出，低电压的透射率表现出陡峭的斜率，高电压透射率表现出平缓的斜率；电压较低时，紫外区域(300～400 nm)和可见光区域(400～760 nm)的透射率变化都不明显；当电压为20 V时，紫外区域和可见光区域的透射率都明显降低;当电压为40 V时，PSLC调光器件的透射率都处于饱和状态，再升高电压，透射率不再发生明显的变化. 因此可得出以下结论：在相同的波长下，电压越大，透射率越低，在不同电压下的紫外区域中的透射率都非常低(这通常是因为聚合物基质的性质)，在不同电压下的可见光区域中的透射率变化比较大.

图4 厚度为5 μm的PSLC调光器件的透光性能及实物对照图

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

图5 厚度为5 μm的PSLC调光器件在不同波长下的透射率

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

以脉冲周期为0.250 s，-40～0 V施加电压后，研究PSLC调光器件(厚度为5 μm)的响应时间. 由图6可知，PSLC调光器件从关态到开态响应时间仅仅需要0.025 s，从开态到关态响应时间需要0.060 s，响应时间非常短，灵敏度非常高，这一优异特性使其在智能窗、显示等领域上有着巨大的潜在价值.

图6 厚度为5 μm PSLC调光器件的响应时间

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

3 结论

本文采用紫外光聚合诱导相分离法制备PSLC调光器件. 该器件在无电场时呈现透明态，在电场的条件下呈模糊态. 与传统的PDLC调光器件相比，PSLC调光器件更加经济方便. 通过改变器件厚度来研究厚度对PSLC调光器件的光电性能的影响， 研究结果显示；当器件厚度增加时，关态透过率降低，阈值电压随之升高，饱和电压升高；当器件厚度为5 μm时，其光电性能达到了最优状态，在波长为550 nm的可见光下，关态透过率高达97%，当电压为20 V时，透射率下降非常明显，达到34%，在电压为40 V时，已经达到了饱和状态；它的响应时间非常短，灵敏度非常高，从关态到开态响应时间仅仅需要0.025 s，从开态到关态响应时间需要0.060 s. 由于PSLC调光器件具有以上优点，使其在光开关、可调光衰减器、红外调节器、智能窗和显示器等领域具有广阔的应用前景.

[1] PARK S,HONG J W. Polymer dispersed liquid crystal film for variable-transparency glazing[J]. Thin Solid Films, 2009,517(10):3183-3186.

[2] DRZAIC P S,GONZALES A M. Refractive index gradients and light scattering in polymer-dispered liquid crystal films[J]. Applied Physics Letters,1993,62(12): 1332-1334.

[3] APHONIN O A,PANINA Y V,PRAVDIN A B,et al. Optical properties of stretched polymer dispersed liquid crystal films[J]. Liquid Crystals,1993,15(3):395-407.

[4] REN H W,WU S T. Reflective reversed-mode polymer stabilized cholesteric texture light switches[J]. Journal of Applied Physics,2002,92(2):797-800.

[5] HOKE C D,LI J F,LIN Y H,et al. Polarized infrared study of a polymer network deformation in a nematic liquid crystal host[J]. Liquid Crystals,2000,27(3):359-363.[6] YANG D K,CHIEN L C,DOANE J W. Cholesteric liquid crystal/polymer dispersion for haze-free light shutters[J]. Applied Physics Letters,1992,60(25):3102-3104.

[7] HIKMET R A M. Electrically induced light scattering from anisotropic gels[J]. Journal of Applied Physics,1990,68(9):4406-4412.

[8] DU F,GAUZA S,WU S T. Influence of curing temperature and high birefringence on the properties of polmer-stabilized liquid crystals[J]. Optics Express,2003,11(22):2891-2896.

[9] 马骥,刘永刚,宋静,等. 聚合物网络稳定液晶膜的制备与研究[J]. 光散射学报,2004,16(4):374-378.

MA J, LIU Y G,SONG J,et al. The prepare and study of polymer network stabilized liquid crystal film[J]. Chinese Journal of Light Scattering,2004,16(4):374-378.

[10] 王守廉,唐秀之,何杰,等. 聚合物结构对聚合物网络稳定液晶薄膜电光性能的影响[J]. 高分子材料科学与工程,2008,24(1):63-66.

WANG S L,TANG X Z,HE J,et al. The effect of polymer structures on the electro-optical properties of polymer network-stabilized liquid crystal films[J].Polymer Materials Science & Engineering,2008,24(1):63-66.

[11]DIERKING I,KOSBAR L L,LOWE A C,et al. Polymer network structure and electro-optic performance of polymer stabilized cholesteric textures[J]. Liquid Crystals,1998,24(3):387-395.

[12]DIERKING I,KOSBAR L L,AFZALI A,et al. Network morphology of polymer stabilized liquid crystals[J]. Applied Physics Letters,1997,71(17):2454-2456.

[13] 于美娜,张华,曾彧,等. 新型反式聚合物稳定液晶光电薄膜的制备及性能[J]. 液晶与显示,2007,22(3):262-267.

YU M N,ZHANG H,ZENG Y,et al. Preparation and electro-optic characteristics of reverse-mode polymer stabilized liquid crystal film[J]. Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays, 2007,22(3):262-267.

[14]YAMAGUCHI R,INOUE K,KUROSAWA R. Effect of liquid crystal material on polymer network structure in polymer stabilized liquid crystal cell[J]. Journal of Photopolymer Science and Technology,2016,29(2):289-292.

【中文责编：庄晓琼 英文审校：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 《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)；广东省创新科研团队项目 (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(2015A050502005，2016B090909001)；广东省引进领军人才计划资助(00201504)

TN141.9

A

1000-5463(2017)01-0031-04

*通讯作者:胡小文，讲师，Email:xwhu@m.scnu.edu.cn.