聚合物分散液晶调光膜工作电压分析

李 唯 吴 琴

（珠海兴业新材料科技有限公司，广东 珠海 519085）

0 引言

聚合物分散液晶（PDLC）调光膜（以下简称“液晶调光膜”）是2 层导电膜间复合一层PDLC 的三明治结构。PDLC 层由聚合物网络及液晶构成，液晶以微米尺寸的液滴均匀分散在固态有机聚合物基体内[1]。2 层导电膜可引出电极接入电源，在PDLC 两侧形成电场。当电极两端未施加电压时，液晶微滴指向失无序排列，有效折射率与基体的折射率不匹配，入射光线被强烈散射而呈不透明或半透明乳白态，具有较好的隐私遮蔽效果。当施加电压时，液晶分子指向失统一沿电场方向排列，其寻常光折射率与基体折射率相匹配，光线可透过基体而呈透明态。除去外电场后，液晶微粒在聚合物锚定力及基体弹性能的作用下又恢复到最初的散射状态。

液晶调光膜的电控效果主要是膜片雾度与透光率随输入电压的不同而发生变化。为保证液晶调光膜处于较好的运行状态，输入的工作电压应使液晶调光膜的透光率达到饱和，同时又不能过高。作为一个类电容器结构，过高的电压会引起液晶调光膜击穿或电极烧毁。该文主要结合PDLC 层饱和电压及相关试验数据对液晶调光膜结构进行仿真分析，并给出液晶调光膜工作电压的建议区间。

1 液晶调光膜样品结构及制作工艺

1.1 液晶调光膜常见结构及要求

液晶调光膜常见结构如图1 所示。透明基材主要作为导电层的衬底，对功能层起保护作用，材质可以是光学玻璃或光学塑料膜片[2]。目前实现卷对卷量产的厂家多采用厚度为50μm～188μm 的光学级PET 基材。导电层主要功能是接入电压后在PDLC 两侧形成均匀电场，对导电层的主要要求是平整度高、耐弯折且方阻不高于200Ω/□。该导电层可通过在透明基材上磁控溅射ITO 镀层、涂布纳米银线涂层、转印铜网结构等方式得到。PDLC层主要由聚合物网络骨架与分散其中的液晶微滴构成，视不同的量产工艺可能会添加一定比例的间隔子，厚度在5μm～30μm。一方面，PDLC 层作为2 层导电膜的黏结层，要求其与导电层具备较好的黏结力；另一方面，作为实现电控调光的主要功能层，为避免产品在加工、装配等环节出现开膜问题，要求聚合物交联固化后自身具备一定的剥离强度。

图1 液晶调光膜结构示意图

1.2 液晶调光膜制作工艺流程

导电膜的制作：通过磁控溅射、涂布、气相沉积等方式在透明光学级基材上加工一层导电膜。主要监测指标有膜层方阻、雾度、透光率及附着力。

“液晶”的混配：根据设计好的配方，将预聚物、单体、引发剂与液晶通过搅拌的方式分散均匀。对辊压的涂布方式，还需要在液晶中添加质量分数3‰～8‰的间隔子来控制膜层厚度。主要监测指标由黏度及均匀性。

涂布：将混配好的液晶均匀填充到2 层导电膜之间。主要监测指标是厚度均匀性。

固化：根据配方体系情况，通过UV 光照或加热使“液晶”中的胶水成分发生聚合并引发相分离，制得PDLC。主要监测指标是固化光强、固化温度、固化时间及在线透光率。

膜片电极制作：按照图纸要求，使用激光切割机将卷状的液晶调光膜裁切为片状，并分别在片膜的两面半切出电极。用酒精将电极区域的PDLC 擦拭掉后，使用400 目网板印刷银浆，烘干后黏贴铜箔，完成电极的制作。

片状的液晶调光膜可通过自黏或夹胶的方式与玻璃结构结合，接入电源控制系统后，即可以通过控制电压的输入对光通量进行调节。

2 试验部分

2.1 试验设备及材料

FP-PTR-2100I 真空卷对卷ITO 薄膜磁控溅射系统、RTS-5 四探针电阻仪、HDSF1600 高精密湿覆合设备、激光裁边设备、激光半切设备、400 目网板、LS-116 透光率仪、数显调压电源、PF2010 多参数功率计、福禄克-17 万用表。

SKC 光学级PET 基材（188μm）、ITO 靶材（In2O3∶SnO2=90 ∶10wt.%）、P1～P5 型液晶（兴业新材料）、GC-SM245H银浆、宽度为5mm 的铜箔胶。

2.2 试验方法

调光膜的主要结构是基材、导电层、PDLC 层型号及厚度，试验设计通过正交试验筛选出了部分组合方案。液晶调光膜试验样品编号及对应材料详细信息见表1。

表1 液晶调光膜样品信息

此次试验共选用了5款不同型号的PDLC配方（P1～P5），并添加了3 款不同粒径的间隔粒子15μm/18μm/20μm；使用了3 款不同型号的基材（B1～B3）；使用磁控溅射设备在基材上制备了3 种不同方块电阻的导电层（100/120/160Ω/□）。根据各液晶调光膜配方体系的固化条件要求对贴合后的膜片进行固化。按照相同的加工工艺制作了不同长度的液晶调光膜样品，每个型号分别制作宽度为1.2m、长度为1.5m/2m/2.5m/3m 的样品，电极位于宽边。并参照图2 所示方案搭建测试平台进行测试，输入电压均使用60V AC。

图2 测试方案示意图

3 结果与讨论

3.1 数据分析

数据如图3 所示。1）所有样品的测试数据均显示出工作电压由液晶调光膜电极端输入后，在电极对边（电极远端）均会出现衰减且衰减程度与样品长度成正比。2）如图3（a）所示，T1 与T5、T12，T2 与T3 的PDLC 配方型号不同，其他条件相同，远端电压衰减情况存在差异。3）如图3（b）所示，T1 与T2，T4 与T5、T6 的PDLC 层厚度不同，其他条件相同。随着PDLC 层厚度的降低，液晶调光膜电极远端电压衰减加剧。作为类电容结构中的介质层，PDLC 层的厚度影响结构电容，进而影响液晶调光膜的电压衰减。4）如图3（c）所示，T8 与T9、T10 与T11导电膜电阻不同，其他条件相同。随着导电膜电阻升高，液晶调光膜远端电压衰减加剧，表明导电膜方阻对液晶调光膜电压衰减情况影响较大。5）如图3（d）所示，T7 与T9、T10 基材型号不同，其他条件相同。液晶调光膜电极远端电压衰减情况一致，表明基材材质对液晶调光膜电压衰减无明显影响。

图3 液晶调光膜远端电压Uout 衰减情况

3.2 PDLC 层饱和电压Usat 的测算

将液晶调光膜透光率达到最大透光率的95%时的电压定义为饱和电压Usat，如公式（1）所示。

式中：TLsat代表饱和透光率；TLmax代表最大透光率。

可通过调压电源与LS-116 透光率仪配合测试液晶调光膜的饱和电压。

PDLC 的饱和电压也可以通过公式（2）估算获得。

式中：d代表PDLC 层厚度；a代表液晶微滴的半长轴；L代表液晶微滴的长径比；∆ε代表液晶介电各向异性；K代表液晶有效弹性常数；ρp、ρLC分别代表聚合物及液晶的电阻率[3-4]。

3.3 仿真分析

结合上述试验数据，可将液晶调光膜拆解为如图4 所示的模型[5]。其中，电阻R1、R2表征的是导电层的相关指标，主要受导电层方块电阻及液晶调光膜样品长度影响，导电膜方阻越大、液晶调光膜长度越长，R1、R2阻值越高。电容C1、电阻R3表征了聚合物分散液晶层的相关指标，主要受聚合物分散液晶层厚度、绝缘电阻影响。

根据图4 电路图可得出液晶调光膜电极远端的电压Uout与输入电压Uin的关系：

图4 液晶调光膜等效电路图

大尺寸的液晶调光膜正常工作的前提是所有区域的电压均达到饱和电压，同时为有效降低击穿、打火等异常发生，所有区域电压需要不高于饱和电压的1.2倍。因此，液晶调光膜正常工作的电压Uin需要满足Usat≤Uout≤1.2×Usat，如公式（4）所示。

4 结语

随着聚合物分散液晶调光膜相关技术的不断发展，其在常规隔断场景的使用率逐年提升且其目前在新能源汽车天幕等新兴市场中的应用也日趋成熟。国内外的新能源汽车市场已有数十款标配/选配液晶调光膜天幕的汽车上市。相关投行预测，2025 年前后将迎来液晶调光膜市场规模的爆发式增长[6]。结合应用端的使用情况对液晶调光膜的光学、电学性能、温度响应性能进行系统研究，不仅可以指导产品使用规范的建设，还可以倒推，为新产品的开发提供方向。

生产厂家制定液晶调光膜的工作电压时，除需要考虑PDLC 层的饱和电压外，还需要着重考虑产品应用尺寸、电极加工方式和导电层电阻情况。选择合理的工作电压，液晶调光膜可提供较好的视觉效果，同时也能最大程度地保障产品稳定性及用电安全。