丁 蘭，裴伶會(huì)，范志新

（1.無(wú)錫科技職業(yè)學(xué)院電子工程學(xué)院，江蘇無(wú)錫214028；

2.河北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院，天津300401）

剪切液晶散射偏光玻璃的視角特性

丁 蘭1?，裴伶會(huì)2，范志新2

（1.無(wú)錫科技職業(yè)學(xué)院電子工程學(xué)院，江蘇無(wú)錫214028；

2.河北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院，天津300401）

制備出應(yīng)變調(diào)光玻璃樣品，利用剪切裝置對(duì)樣品施加剪切應(yīng)力后，樣品呈散射偏光態(tài).實(shí)驗(yàn)觀察到樣品所特有的在剪切力施加方向上透光率偏高的視角特性，通過(guò)建立理論模型并測(cè)試透光率隨入射角變化曲線，得到了散射偏光玻璃透光率綜合表達(dá)式，以及樣品中液晶微滴傾斜角度與透光率關(guān)系.模擬計(jì)算表明，本文所建立的理論表達(dá)式能基本描述剪切液晶散射偏光玻璃特性.

剪切液晶；散射偏光玻璃；透光率；視角特性

1　引 言

聚合物分散液晶（Polymer dispersed liquid crystal）膜具有散射霧態(tài)外觀，施加電場(chǎng)變透明態(tài)，這是電控調(diào)光膜技術(shù).對(duì)聚合物分散液晶膜制品施加應(yīng)力（剪切、拉伸或按壓），能使制品從散射霧態(tài)變半透明態(tài)，這又是奇特的應(yīng)變調(diào)光膜技術(shù).由于電控調(diào)光膜獲得了越來(lái)越多的應(yīng)用，聚合物分散液晶的電光特性已經(jīng)被人們深入研究過(guò)［1-5］.而應(yīng)變調(diào)光膜還沒(méi)能得到應(yīng)用，也不是液晶領(lǐng)域熱點(diǎn)研究課題，所以遠(yuǎn)未被充分認(rèn)識(shí)和探討［6-13］.

應(yīng)變調(diào)光玻璃制品在受到剪切力作用下，不僅轉(zhuǎn)變成半透明態(tài)，而且在半透明態(tài)還具有散射偏光片功能.這種散射偏光玻璃的透光軸在垂直剪切方向，自然光入射，垂直剪切方向的偏振光分量透過(guò)，平行剪切方向的偏振光分量散射.散射偏光玻璃的偏光原理是聚合物分散液晶膜中的液晶微滴經(jīng)剪切發(fā)生形變，由球形微滴變成傾斜橢球微滴，液晶分子排列大致沿橢球長(zhǎng)軸方向，沿液晶分子取向方向的偏振光，因?yàn)橐壕д凵渎蕁e與聚合物折射率np不匹配造成光散射，而沿垂直液晶分子取向方向的偏振光，由于液晶折射率no與聚合物折射率np相匹配，成了同種光介質(zhì)，就會(huì)使光透過(guò).基于剪切液晶原理制作的散射偏光玻璃還具有獨(dú)有的視角特性，本文給出這方面的研究報(bào)道.

2　實(shí) 驗(yàn)

樣品制備所用的向列相液晶材料是石家莊鹿泉新型電子材料廠提供的PDLC005，其雙折射no= 1.517，ne=1.723；所用預(yù)聚合物是30%的環(huán)氧樹(shù)脂DCL3000，65%聚脂丙烯酸酯MR100，5%的光引發(fā)劑TPO的紫外光固化預(yù)聚物；將液晶與預(yù)聚合物以2∶3的質(zhì)量百分比混合成液晶膠.使用的玻璃是3 mm厚ITO透明導(dǎo)電玻璃；所用的襯墊料是深圳納微科技公司提供的直徑20μm塑料微球.將玻璃清洗干凈，在一張玻璃上撒布20μm襯墊粉微球，之后蓋上另一張玻璃，兩張玻璃大部分重合，上下留出小部分不重合的臺(tái)階邊（方便后續(xù)施加應(yīng)力實(shí)驗(yàn)）.用注射器將液晶膠滴在臺(tái)階處下面玻璃上，靠毛細(xì)現(xiàn)象使液晶膠充滿在兩張玻璃間重合部分.把夾著液晶膠的兩張玻璃放置于多根40 W紫外燈下進(jìn)行紫外曝光固化，樣品由固化前透明變成固化后散射毛玻璃.用不銹鋼方管制作了鏡框，在鏡框一側(cè)面安裝了八寶頂絲，頂絲與玻璃之間有膠皮隔墊，擰轉(zhuǎn)頂絲就可以方便施加剪切應(yīng)力.對(duì)樣品施加剪切應(yīng)力時(shí)，樣品變成半透明狀態(tài)，具有散射偏光片功能，如圖1所示.

圖1　剪切液晶散射偏光玻璃外觀.（a）光軸平行；（b）平行前翻；（c）平行后翻；（d）平行左翻；（e）平行后翻；（f）光軸正交；（g）正交前翻；（h）正交后翻；（i）正交左翻；（j）正交右翻Fig.1　Appearance of shear liquid crystal scattering polarized glass（a）parallel to the optical axis；（b）parallel turn front；（c）parallel turn back；（d）parallel turn left；（e）parallel turn right；（f）orthogonal to the optical axis；（g）orthogonal turn front；（h）orthogonal turn back；（i）orthogonal turn left；（j）orthogonal turn right

樣品后面是電腦液晶顯示器屏幕，透光軸在西北角方向，圖中，（a）光軸平行，（b）平行前翻，（c）平行后翻，（d）平行左翻，（e）平行右翻，（f）光軸正交，（g）正交前翻，（h）正交后翻，（i）正交左翻，（j）正交右翻.直觀上發(fā)現(xiàn)，透過(guò)樣品看顯示器圖片，散射偏光玻璃的透光軸與液晶顯示器透光軸平行時(shí)，圖1（d）的側(cè)面看比圖1（a）的正面看還清楚些；散射偏光玻璃的透光軸與液晶顯示器透光軸正交時(shí)，圖1（j）的側(cè)面看比圖1（f）的正面看更漏光些.

對(duì)樣品測(cè)試透光率隨入射光角度變化曲線，所用儀器為成都世紀(jì)中科儀器公司ZKYLCDEO-2型液晶電光效應(yīng)綜合實(shí)驗(yàn)儀，測(cè)試光路如圖2所示.水平轉(zhuǎn)動(dòng)樣品條件下，不放置偏振器測(cè)得非偏振光視角特性曲線，放置偏振器并轉(zhuǎn)動(dòng)偏振器透光軸方向分別在豎直方向和水平方向，即得到S偏振光和P偏振光入射的偏振光視角特性曲線（水平轉(zhuǎn)動(dòng)樣品的法線與入射光線構(gòu)成入射面，規(guī)定垂直入射面的偏振光為S光，平行入射面的偏振光為P光）.

圖2　測(cè)試光路Fig.2　Test light path

圖2中，樣品裝在不銹鋼鏡框中，一側(cè)的邊框上有八寶頂絲，對(duì)樣品從左右側(cè)面施加剪切應(yīng)力時(shí)，樣品變半透明態(tài)，成為散射偏光玻璃，其透光軸在垂直水平剪切方向的豎直方向.剪切作用使前后兩片玻璃發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，導(dǎo)致聚合物分散液晶膜中液晶微滴產(chǎn)生形變，由球形微滴變成傾斜橢球微滴，如圖3所示.液晶分子有沿橢球長(zhǎng)軸大致取向，造成沿垂直橢球長(zhǎng)軸方向的偏振光透射，平行橢球長(zhǎng)軸方向的偏振光散射.而沿著橢球長(zhǎng)軸方向看去，雙折射現(xiàn)象減弱，透光率更高.

圖3　液晶微滴傾斜示意圖Fig.3　Diagram of the tilt liquid crystal droplet

測(cè)試透光率隨入射光角度變化曲線，如圖4所示.圖4（a）是夾膠ITO玻璃透光率隨光入射角變化的視角特性曲線，圖4（b）是散射偏光玻璃的視角特性曲線，圖4（c）是不同剪切應(yīng)力情況下的非偏振光視角特性.

圖4　視角特性測(cè)試曲線Fig.4　Test curve of viewing angle characteristic

圖4（a）夾膠ITO玻璃的膠中沒(méi)有加入液晶，由此得到純夾膠ITO玻璃全透明態(tài)曲線.曲線T3是非偏振光的透光率隨光入射角變化的曲線，T3p是平行入射面的p偏振光的透光率隨光入射角變化的曲線，T3s是垂直入射面的s偏振光的透光率隨光入射角變化的曲線，這三條曲線都是關(guān)于玻璃表面法線對(duì)稱的.圖4（b）是聚合物分散液晶膜在施加剪切應(yīng)力情況下，從散射霧態(tài)變半透明態(tài)，成為散射偏光玻璃的視角特性曲線.曲線T是非偏振光的透光率隨光入射角變化的曲線，Tp是平行入射面的p偏振光的透光率隨光入射角變化的曲線，Ts是垂直入射面的s偏振光的透光率隨光入射角變化的曲線，這三條曲線都是關(guān)于玻璃表面法線不對(duì)稱的.散射偏光玻璃對(duì)于p光具有較強(qiáng)的散射作用，而對(duì)于s光則具有較高的透射作用.圖4（c）是聚合物分散液晶膜在施加不同剪切應(yīng)力情況下的非偏振光視角特性曲線，所施加剪切力的關(guān)系為F3＞F2＞F1（F1擰轉(zhuǎn)頂絲量小，F(xiàn)2頂絲旋進(jìn)稍大，F(xiàn)3頂絲旋進(jìn)至擰不動(dòng)）.

3　理 論

樣品的透過(guò)率復(fù)雜關(guān)系如下:

其中:T為樣品透過(guò)率，T1為液晶微滴透過(guò)率隨入射光角度x和液晶微滴橢球長(zhǎng)軸與玻璃表面法線夾角θ變化函數(shù)，x和θ用弧度表示.液晶分子在垂直玻璃法線方向一致取向時(shí)（θ=0，x=0），對(duì)應(yīng)電控調(diào)光玻璃透明態(tài)，正面觀察沒(méi)有偏光效應(yīng)；而液晶分子在玻璃平面內(nèi)一致取向時(shí)（θ= 90°，x=0），對(duì)應(yīng)完全偏光狀態(tài)，一半光透過(guò)，另一半光散射.T2為液晶微滴橢球化導(dǎo)致液晶分子序參數(shù)變化對(duì)透光率影響函數(shù).樣品不受剪切作用，液晶分子沒(méi)有取向時(shí)，T2=0，對(duì)應(yīng)散射霧態(tài)；而拉伸液晶，液晶分子沿拉伸方向排列，散射偏光片效果最佳，這時(shí)對(duì)應(yīng)液晶分子取向序參數(shù)最大，因此說(shuō)Θ為特征角，取90°；在（θ=90°，x=90°）時(shí)，令T2=1，需取系數(shù)k=e/（e-1）= 1.581 9.T3為玻璃透過(guò)率隨角度變化函數(shù)，即圖4（a）曲線.由于透明材料透光率經(jīng)典表達(dá)式菲涅耳公式通常只能給出單個(gè)界面的透光率和反射率，實(shí)際樣品界面多于單個(gè)界面.在大角度入射時(shí)（＞60°），按照菲涅耳公式計(jì)算的單個(gè)界面的透光率已經(jīng)降到很低（～0.6），但是實(shí)際樣品多個(gè)界面，測(cè)量卻發(fā)現(xiàn)透光率仍然比較高（＞0.7），所以不能用菲涅耳公式計(jì)算透光率，我們采用對(duì)實(shí)驗(yàn)曲線做擬合的方法找到表達(dá)式.這個(gè)函數(shù)形式（1）式是根據(jù)情況進(jìn)行針對(duì)性的合理假設(shè)，不是推導(dǎo)得到的.

擬合過(guò)程，把角度換算成弧度.

解出一系數(shù)，c=0.049，即擬合表達(dá)式:

由擬合曲線左右對(duì)稱性，選擇:

解出C=0.764 4，D=-0.432，A=0.989 7，B=-0.573 2，得到剪切液晶散射偏光玻璃透光率表達(dá)式:

左側(cè)（≤-30°）:

4　計(jì) 算

對(duì)于圖4（c）曲線，極值點(diǎn)分別在25°，35°和40°，對(duì)表達(dá)式（1）求導(dǎo)，極值角度與液晶微滴傾角存在關(guān)系，xp=25°，在中段，適用中段表達(dá)式:

解出強(qiáng)剪切力的傾角約為59°.

樣品透過(guò)率理論計(jì)算:嘗試取θ=30°、45°、60°，計(jì)算透光率曲線，如圖5所示.

圖5　傾角30°、45°、60°透光率理論曲線Fig.5　Theoretical curve of transmittance of 30°、45°、60°angle

比較理論曲線圖4和實(shí)驗(yàn)曲線圖3（c），所設(shè)計(jì)建立的表達(dá)式基本反映了散射偏光玻璃的視角特性，即透光率曲線關(guān)于玻璃表面法線不對(duì)稱，沿液晶微滴傾斜方向透光率比較高.設(shè)若表達(dá)式成立，由此根據(jù)實(shí)驗(yàn)曲線極值點(diǎn)可以解出液晶微滴傾斜橢球的傾角，同時(shí)也可以估計(jì)出剪切作用使上下兩片玻璃產(chǎn)生了多大的位移ΔL.例如當(dāng)解出液晶微滴傾角為60°時(shí)，假設(shè)聚合物分散液晶層厚度是H=20μm，則有:ΔL=H tanθ= 34.64μm.但表達(dá)式還不夠完備，曲線形狀上描述不夠“逼真”，在大角度入射下，理論曲線與測(cè)試曲線在左端差距還比較大，有待于對(duì)表達(dá)式進(jìn)行修正.

5　結(jié) 論

剪切液晶散射偏光玻璃具有視角特性，液晶微滴呈傾斜橢球狀，沿液晶微滴橢球長(zhǎng)軸方向觀察，透光率比較高，透過(guò)樣品看圖片，比垂直玻璃表面看得還清楚.對(duì)樣品做透光率隨入射角變化曲線，得到不對(duì)稱曲線，建立透光率隨入射角變化表達(dá)式，模擬計(jì)算曲線與實(shí)驗(yàn)測(cè)試曲線基本符合，由表達(dá)式能求得剪切液晶微滴橢球傾斜方向和上下玻璃產(chǎn)生的位移.

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Viewing angle characteristic of sheared liquid crystal scattering polarization glass

DING Lan1?，PEI Ling-hui2，F(xiàn)AN Zhi-xin2

（1.School of Electronic Engineering，Wuxi Professional College of Science and Technology，
Wuxi 214028，China；
2.College of Science，Hebei University of Technology，Tianjin 300401，China）

The sample of stressed switchable glass is prepared.While the sample is being applied on the sheared stress by the sheared device，it is in the scattering polarized state.The peculiar characteristic of visual angle that transmittance of light is higher in the direction of sheared force is observed.Through establishing theoretical model and testing the curve of the light transmittance changing with the incident angle，the comprehensive expression of transmittance of scattering polarization glass and the relationship between the tilt angle of liquid crystal and transmittance of liquid crystal in the sample is obtained.The simulation results show that the theoretical expression can basically describe the sheared liquid crystal scattering polarization glass properties.

sheared liquid crystal；scattering polarization glass；transmittance；viewing angle characteristic

O433；O753.2

A doi:10.3788/YJYXS20153006.0937

1007-2780（2015）06-0937-06

丁蘭（1980-），女，江蘇無(wú)錫人，碩士研究生，講師，主要從事電子和液晶顯示技術(shù)研究.E-mail:dinglan@wxstc.cn

裴伶會(huì)（1990-），女，河北唐山人，河北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用物理系2014級(jí)在讀碩士生.

2015-06-01；

2015-06-22.

國(guó)家自然科學(xué)基金（No.61475042，No.11274088）；江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（No. 201412681004Y）；無(wú)錫市精品課程

Supported by National Natural Science Foundation of China（No.61475042；No.11274088）；Jiangsu Province Students'Innovation and Entrepreneurship Training Program；Wuxi City Excellent Curriculum（No. 2014126810045）

?通信聯(lián)系人，E-mail:dinglan@wxstc.cn

范志新（1960-），男，吉林人，博士，教授，主要從事液晶器件物理實(shí)驗(yàn)和教學(xué)研究.E-mail:zxfan@hebut.edu.cn