固化光强和单体浓度对聚合物稳定液晶器件电光性能的影响*

张家维， 张洋， 李明， 姚朝晖

(云南师范大学 太阳能研究所，可再生能源材料先进技术与制备教育部重点实验室，云南 昆明 650500)

1 引 言

聚合物液晶复合薄膜是一种新型的电光材料，其工艺简单，在可调光衰减器、光开关、智能窗等方面具有广阔的市场[1-2].聚合物液晶复合薄膜主要由聚合物与液晶组成，根据聚合物和液晶各自所占的质量分数，可以将其分为聚合物分散液晶(Polymer Dispersed Liquid Crystal，PDLC)和聚合物稳定液晶(Polymer Stabilized Liquid Crystal，PSLC).聚合物分散液晶中，聚合物的质量分数大约在20%-80%，液晶微滴分散在聚合物基体中；而在聚合物稳定液晶中，聚合物的质量分数一般在10%以下，聚合物网络存在于液晶连续相中[2-6].

近些年，聚合物液晶复合薄膜受到人们的广泛关注，很多研究人员从各方面对其进行探索，取得了大量的成果[6-13].本文拟研究固化光强和单体浓度对PSLC器件的电光性能的影响，讨论这两种制备因素在制备过程中产生的作用.

2 PSLC的工作原理

液晶具有折射率各向异性和介电各向异性，施加电场可以改变液晶分子的取向，也就改变了液晶分子的折射率[14].本实验所用的液晶为负性液晶，不施加电场时，受垂直取向层的作用，液晶垂直于玻璃基板排列，薄膜的折射率比较均匀，入射光可以透射，器件处于透明态.施加电场后，液晶会在电场作用下垂直于电场方向(即平行于基板)取向，但聚合物网络会对其附近的液晶分子产生锚定作用，使这些液晶保持原来的取向,导致器件中液晶的取向出现混乱，薄膜的折射率不均匀，使入射光发生散射，器件处于模糊态.撤去电场，液晶又会在聚合物网络的作用下恢复初始取向，折射率恢复均匀，器件回到透明态.可见，聚合物网络对液晶起到一种稳定取向的作用[1,5-6].

3 实 验

3.1 实验试剂

液晶单体HCM009(江苏和成显示科技有限公司)、负性液晶HNG30400-200(江苏和成显示科技有限公司)、光引发剂651(安息香双甲醚)、垂直取向剂聚酰亚胺(DL-4018)、紫外光固化胶.

3.2 样品的制备

将清洗干净的ITO玻璃放入UV光清洗机中(玻璃导电面朝向灯管)照射20 min，照射结束后用匀胶机在ITO玻璃导电面上旋涂垂直取向剂，旋涂后的ITO玻璃放在热台上加热(旋涂面朝上)，经历90、105、230 ℃三个温度后旋涂膜被烘干固化，形成聚酰亚胺取向膜.待ITO玻璃冷却后，将两片ITO玻璃涂有取向膜的表面相对，用掺入5 μm间隔子的紫外光固化胶粘在一起，放在紫外灯下照射固化，得到液晶空盒.将配好的混合物(液晶、液晶单体、光引发剂)搅拌均匀后，在60 ℃的热台上，将混合物填入液晶空盒，待其扩散均匀后，关闭热台电源.当液晶盒冷却至室温后，将液晶盒在紫外光下固化，制得PSLC样品.

3.3 样品的测试

本实验采用海洋光谱仪(Maya2000 Pro)测试样品在不同电压下的透过率，用单片空白的ITO玻璃作为参比.

4 结果与讨论

4.1 固化光强的影响

通过调节固化系统的光圈开度，可以精确控制固化光强，光强随着光圈开度的增大而增大.分别在20%、25%、30%、35%四种光圈开度下，经紫外灯照射300 s得到四个PSLC样品.图1为各样品在可见光555 nm下的透过率与所加电压的关系曲线.由图可知，光圈开度为20%的PSLC样品的阈值电压(引起液晶分子指向矢发生改变所需的电压[14])最低，即固化光强最小的样品的阈值电压最低，且随着光圈开度增加，固化光强变大，阈值电压也随之升高，光圈开度为35%的样品的阈值电压最高.可见，在一定光强范围内，PSLC 的阈值电压会随着固化光强的增大而升高.

图1不同固化光强PSLC样品的透过率与所加电压的关系曲线

Fig.1 Transmittance vs voltage curves of PSLC samples with different curing light intensities

阈值电压受聚合物网络影响很大，聚合物网络越密集，它对液晶分子的锚定力就越强，液晶分子在更强的电场下才能改变取向.紫外光为光聚合反应提供条件，光强过弱时，光引发剂吸收的能量少，产生的自由基数目过少，光聚合速度慢[15]，聚合不完全，会形成稀疏的聚合物网络，它对液晶分子的锚定作用比较弱，液晶分子的取向在较低的电场作用下就能发生改变，所以阈值电压低；随着光强增大，光引发剂接收的能量增多，产生的自由基变多，聚合速度增加，促进单体充分聚合，易形成较密的聚合物网络，导致阈值电压升高.

表1不同固化光强PSLC样品的最大、最小透过率及对比度

Table 1 Maximum transmittance,minimum transmittance and contrast ratio of PSLC samples with different curing light intensities

光圈开度20%25%30%35%Tmax97.14%96.52%96.55%95.88%Tmin3.48%4.41%3.02%5.47%CR27.9121.8931.9717.53

由表1可知，光圈开度为30%的样品的对比度最大，而光圈开度为35%的样品的对比度最小.固化光强在30%的光圈开度时是比较合适的.

4.2 单体浓度的影响

将负性液晶、液晶单体和光引发剂651按表2的比例配成均匀的混合物，制备四个PSLC样品.经光谱仪测试，得到各样品在可见光555 nm波长下的透过率与所施加电压的关系曲线(图2).

表2 PSLC样品中各组分的质量分数

图2不同单体浓度PSLC样品的透过率与所加电压的关系曲线

Fig.3 Transmittance vs voltage curves of PSLC samples with different monomer concentrations

由图2可知，总体上，PSLC的透过率随施加电压的增大而降低.样品1和样品2的透过率曲线出现了变形.样品1的透过率在相当大的电压范围内没有明显变化，电压超过30 V后，透过率才开始下降；样品2的透过率几乎是在施加电压后就开始下降，经过迅速下降后有一段上升，后面又缓慢下降；样品3的透过率约在10 V后出现明显下降，而样品4的透过率约在15 V后才出现明显下降.

样品1因为没有单体，固化后没有聚合物网络形成，液晶没有受到聚合物网络的束缚，所以它的电光特性异于一般PSLC的电光特性.样品2由于单体含量很少，固化后形成的聚合物网络稀疏，对液晶的锚定力不强，所以液晶分子的取向在较小的电场作用下就发生变化，又由于聚合物网络的限制，导致液晶之间的取向出现混乱，折射率不一致，透过率下降迅速.随着电压升高，样品2的透过率有一段上升，可能是因为部分液晶在电场的作用下克服了聚合物网络的锚定作用，致使液晶排列的混乱程度减小，折射率匹配程度有所提高，所以透过率上升.样品4的阈值电压明显大于样品3的阈值电压，是因为随着单体比例的提高，样品4的聚合物网络变得致密，对液晶分子的锚定作用变强，液晶分子在更大的电场作用下才能改变取向，所以阈值电压升高.

各样品的最大、最小透过率和对比度见表3.

表3不同单体浓度PSLC样品的最大、最小透过率及对比度比较

Table 3 Comparison of maximum transmittance,minimum transmittance and contrast ratio between PSLC samples with different monomer concentrations

样品Sample 1Sample 2Sample 3Sample 4Tmax98.04%96.30%98.53%98.38%Tmin73.84%28.06%3.93%13.76%CR1.333.4325.077.15

综合图2和表3分析，四个样品中样品3的电光特性最好，单体浓度比较适合.样品3在开态(施加电压)和关态(撤去电压)下的实际效果如图3.

图3 样品3在开、关态下的实物图

Fig.3 Photographs of sample 3 (a) at off-state and (b) at on-state

5 结 论

采用PIPS法，在不同固化光强和单体浓度下制备了PSLC器件，发现固化光强和单体浓度均会影响样品的电光特性.一定光强范围内，光强较弱时，光聚合速度慢，易造成不充分的聚合反应，形成的聚合物网络稀疏，对液晶的锚定力弱，阈值电压变低；光强增大，会使聚合物网络变密，导致阈值电压升高.单体浓度过低时，形成的聚合物网络不稳固，电光特性曲线出现变形，单体浓度过大会导致阈值电压过高.