管昕瑜，陸建剛

(1.上海交通大學(xué) 電子信息及電子工程學(xué)院，上海 200240；

2.上海華虹計(jì)通智能系統(tǒng)股份有限公司，上海 201206)

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納米聚合物摻雜對(duì)藍(lán)相液晶驅(qū)動(dòng)電壓的影響

管昕瑜1，2，陸建剛1

(1.上海交通大學(xué) 電子信息及電子工程學(xué)院，上海 200240；

2.上海華虹計(jì)通智能系統(tǒng)股份有限公司，上海 201206)

聚合物液晶在藍(lán)相穩(wěn)定態(tài)具有極快的響應(yīng)速度(亞毫秒級(jí))、光學(xué)性能的各向同性、免配相工藝等優(yōu)越性能，在顯示領(lǐng)域、光子器件領(lǐng)域有極大的應(yīng)用前景。在一個(gè)基于聚合物液晶藍(lán)相穩(wěn)定態(tài)系統(tǒng)中研究多重聚合物摻雜的比率對(duì)藍(lán)相液晶驅(qū)動(dòng)電壓的影響。通過(guò)改善聚合物摻雜的比率，在不破壞藍(lán)相液晶的響應(yīng)速度、磁滯指標(biāo)等性能的前提下，該藍(lán)相穩(wěn)定態(tài)液晶的驅(qū)動(dòng)電壓能夠降低到62V。

藍(lán)相液晶； 驅(qū)動(dòng)電壓； 聚苯胺氧化石墨烯； 納米摻雜

液晶的藍(lán)相穩(wěn)定態(tài)主要存在于液晶各向同性相和手性向列相之間的一個(gè)狹小的溫寬范圍內(nèi)[1-2]。在此狀態(tài)下的藍(lán)相液晶具有亞毫秒級(jí)的超快響應(yīng)速度[3]，無(wú)外部電場(chǎng)就能呈現(xiàn)光學(xué)各向同性，在可見(jiàn)光波段內(nèi)呈現(xiàn)周期性三維螺旋結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，故藍(lán)相液晶在光學(xué)相位調(diào)制器、光子晶體、場(chǎng)序列顯示[4-7]等領(lǐng)域有極大的應(yīng)用空間。雖然目前聚合物液晶的藍(lán)相穩(wěn)定態(tài)過(guò)于狹窄的溫寬已經(jīng)得到改善，能夠擴(kuò)大到60K以上，但是類似于磁滯效應(yīng)、高驅(qū)動(dòng)電壓、殘留雙折射等缺陷都嚴(yán)重阻礙了藍(lán)相液晶的推廣[8]。

目前，能有效降低聚合物藍(lán)相穩(wěn)定態(tài)液晶的驅(qū)動(dòng)電壓的方式主要有兩種：① 通過(guò)改善液晶本體材料的性能來(lái)推高液晶本身的驅(qū)動(dòng)能力[9-10]；② 提供器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化來(lái)增加電場(chǎng)的利用率[11-12]。為了能夠改善藍(lán)相穩(wěn)定態(tài)液晶過(guò)高的驅(qū)動(dòng)電壓，本文在母體液晶材料結(jié)構(gòu)上，進(jìn)一步改變聚合物和稀釋劑的摻雜比率，增強(qiáng)液晶內(nèi)部的有效電場(chǎng)，從而達(dá)到降低聚合物藍(lán)相液晶的驅(qū)動(dòng)電壓的目的。

1　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

要降低藍(lán)相液晶的驅(qū)動(dòng)電壓可以從兩個(gè)方面入手：① 增強(qiáng)有效電場(chǎng)；② 降低液晶扭曲雙螺旋結(jié)構(gòu)和聚合物網(wǎng)絡(luò)之間的界面能。要增強(qiáng)液晶內(nèi)部的有效電場(chǎng)，可以添加高導(dǎo)電率聚合物——聚苯胺氧化石墨烯(Polyaniline Functionalized Graphene, G-PANI)[13]；要降低液晶扭曲雙螺旋結(jié)構(gòu)和聚合物網(wǎng)絡(luò)之間的界面能，則可以通過(guò)在液晶本體材料中添加適量比率的稀釋劑——N-乙烯吡咯烷酮(N-Vinyl Pyrrolidone, NVP)[14-15]。

為了測(cè)試不同比率的摻雜物對(duì)聚合物液晶藍(lán)相穩(wěn)定態(tài)光電特性的影響，不同比率的NVP和G-PANI會(huì)被摻雜在一個(gè)常見(jiàn)的藍(lán)相液晶母液中。該液晶母液中包含了正性向列型母體液晶BP06、手性劑R5011、膠連劑C3M、聚合單體12A及三羥甲基丙烷三丙烯酸酯TMPTA、光敏引發(fā)劑IRG184。按照表1中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)配置A、B、C、D 4種液晶母液。

分別測(cè)量摻雜不同比率NVP的4種母液樣本的清亮點(diǎn)光電特性，從中挑選出清亮點(diǎn)性能最好的一組，作為優(yōu)化后的母液樣本。然后，按照表2中的比率在優(yōu)化后的母液樣本中繼續(xù)摻雜不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的G-PANI，以研究G-PANI的摻雜濃度對(duì)聚合物液晶藍(lán)相穩(wěn)定態(tài)驅(qū)動(dòng)電壓的影響。

表1　不同濃度NVP的聚合物液晶藍(lán)相穩(wěn)定態(tài)的母液配比

表2　不同濃度的G-PANI和NVP的聚合物液晶藍(lán)相穩(wěn)定態(tài)液晶的配比

充分混合樣品并且加熱到清亮點(diǎn)之后，將樣品注入到厚度為 7.5μm、電極寬度為 7.5μm、電極間距為 12.5μm 的液晶盒內(nèi)。在溫控臺(tái)內(nèi)，以1K/min的速率降溫，在接近相變點(diǎn)附近時(shí)以 0.5K/min 的速率降溫。在液晶中的樣品進(jìn)入藍(lán)相穩(wěn)定態(tài)后，用強(qiáng)度為3mW/cm2的紫外線燈管(UV)照射5min，使得液晶盒中的樣品固化。將頻率為1kHz的方波加在液晶盒兩端，通過(guò)2個(gè)正交的偏振片對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試。

2　結(jié)果與分析

2.1溫度特性

在偏光顯微鏡下觀察A、B、C、D 4種藍(lán)相液晶母液樣本。圖1給出了樣本A和D的相態(tài)變化。由圖 1(a)可見(jiàn)，樣本A從各向同性相到手性向列相之間過(guò)渡的相態(tài)變化。當(dāng)樣本A的溫度降低到341.2K時(shí)，出現(xiàn)了紅色的藍(lán)相態(tài)點(diǎn)狀液晶；繼續(xù)降低溫度至336.4K時(shí)，液晶由藍(lán)相態(tài)演變到手性向列相態(tài)。由于NVP材料本身的清亮點(diǎn)較低，故NVP含量越高，母液樣本的清亮點(diǎn)就越低，表1中的數(shù)據(jù)也證明了這點(diǎn)。隨著NVP濃度的增加，聚合物液晶的藍(lán)相穩(wěn)定態(tài)的熱穩(wěn)定性能也相應(yīng)降低，因此，在UV燈照射固化后，當(dāng)溫度降低至345K時(shí)，NVP濃度最高的樣本D已不具備藍(lán)相穩(wěn)態(tài)的條件，見(jiàn)圖1(b)，而樣本A、B、C都能很好地穩(wěn)定住藍(lán)相態(tài)。

圖1　樣本A和D的相態(tài)變化Fig.1　Phase transition of sample A and D

2.2驅(qū)動(dòng)性能

對(duì)A、B、C 3種母液樣本進(jìn)行驅(qū)動(dòng)性能分析。圖2給出了不同濃度的NVP聚合物液晶藍(lán)相穩(wěn)定態(tài)在室溫(298K)條件下的液晶驅(qū)動(dòng)電壓-透過(guò)率曲線。由圖可見(jiàn)，樣本A、B、C在透過(guò)率達(dá)到100%時(shí)的最優(yōu)驅(qū)動(dòng)電壓分別是78、72、65V，從而可以判定NVP質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的樣本C的性能最佳。因此，以下實(shí)驗(yàn)以樣本C作為母液樣本，對(duì)摻雜不同濃度G-PANI后制成的藍(lán)相液晶樣品進(jìn)行測(cè)試。

圖2　室溫下(298K)，NVP不同濃度的聚合物液晶藍(lán)相穩(wěn)定態(tài)的電壓-透過(guò)率曲線Fig.2　V-T curve of the PS-BPLC with different concentrations of NVP at room temperature (298K)after polymer stabilization

圖3給出了在室溫(298K)條件下，摻雜了不同濃度的G-PANI的聚合物藍(lán)相液晶樣品的驅(qū)動(dòng)電壓-透過(guò)率曲線。當(dāng)摻雜的G-PANI濃度從0增加到0.03%再增加到0.05%時(shí)，樣品的驅(qū)動(dòng)電壓從最初的66V經(jīng)64V降低到62V，這主要是由于聚合物穩(wěn)定態(tài)液晶網(wǎng)絡(luò)包裹住了摻雜的 G-PANI 納米片，增加了徑向?qū)щ娐屎陀行щ妶?chǎng)；而繼續(xù)增大摻雜的G-PANI濃度，當(dāng)G-PANI的濃度由0.05%逐漸增加至0.1%、0.5%、1%時(shí)，增加的有效電場(chǎng)被增加的大分子聚合物給阻擋了，因此，驅(qū)動(dòng)電壓反而由 62V 增大至66、70、72V，特別當(dāng)G-PANI濃度增大到2%時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓達(dá)到了80V，已經(jīng)極大偏離了原本的驅(qū)動(dòng)電壓。

圖3　室溫下(298K)，摻雜不同濃度G-PANI的聚合物藍(lán)相液晶樣品的驅(qū)動(dòng)電壓-透過(guò)率曲線Fig.3　V-T curve of PS-BPLC sample with different concentrations of G-PANI at room temperature(298K)

2.3響應(yīng)速度

對(duì)摻雜不同濃度G-PANI的藍(lán)相液晶樣品進(jìn)行響應(yīng)度測(cè)試。由于上升沿響應(yīng)速度和樣本的驅(qū)動(dòng)電壓有關(guān)，因此為了排除可能的誤差，實(shí)驗(yàn)中主要測(cè)試下降沿的響應(yīng)速度。由圖4可見(jiàn)，摻雜了小于1%的低濃度G-PANI的藍(lán)相液晶樣品對(duì)響應(yīng)速度幾乎沒(méi)有影響，這是由于小于1%的低濃度G-PANI不會(huì)影響材料的彈性系數(shù)和轉(zhuǎn)性粘度。但是，當(dāng)摻雜1%以上G-PANI時(shí)，材料的響應(yīng)速度就會(huì)降低到毫秒級(jí)，這是由于大體積的聚合物會(huì)影響材料的彈性系數(shù)和轉(zhuǎn)性黏度。

圖4　樣本C摻雜不同濃度G-PANI的聚合物藍(lán)相液晶樣品的響應(yīng)速度曲線Fig.4　Delay time curve of PS-BPLC sample withdifferent concentration of G-PANI

3　結(jié)　語(yǔ)

本文研究了基于納米聚合物穩(wěn)定藍(lán)相態(tài)液晶的系統(tǒng)中，通過(guò)不同比率的聚合物和稀釋劑的配比，來(lái)降低聚合物液晶藍(lán)相穩(wěn)定態(tài)的驅(qū)動(dòng)電壓。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示，摻雜百分比濃度為1%的NVP和0.05%的G-PANI，藍(lán)相液晶的驅(qū)動(dòng)電壓能降低到62V，并且不會(huì)對(duì)藍(lán)相液晶材料本身的響應(yīng)時(shí)間產(chǎn)生不良影響。

[1]MEIBOOM S，SETHNA J P，ANDERSON P W，et al.Theory of the blue phase of cholesteric liquid crystals[J].Physical Review Letters，1981，46(18)：1216-1219.

[2]倪水彬，朱吉亮，鐘恩偉，等.藍(lán)相液晶光電特性研究[J].液晶與顯示，2012，27(6)：719-723.

[3]CHOI H，HIGUCHI H，KIKUCHI H.Fast electro-optic switching in liquid crystal blue phase II[J].Applied Physics Letters，2011，98(13)，131905(3).

[4]LU S Y，CHIEN L C.Electrically switched color with polymer-stabilized blue-phase liquid crystals[J].Optics Letters，2010，35(4)：562-564.

[5]COLES H J，MORRIS S M.Liquid-crystal lasers[J].Nature Photonics，2010，4(10)：676-685.

[6]ZHU Jiliang，LU Jiangang，QIANG Jing，et al.1D/2D switchable grating based on field-induced polymer stabilized blue phase liquid crystal[J].Journal of Applied Physics，2012，111(3)：033101-033105.

[7]CHEN Kuanming，GAUZA S，XIANYU Haiqin，et al.Submillisecond gray-level response time of a polymer-stabilized blue-phase liquid crystal[J].Journal of Display Technology，2010，6(2)：49-51.

[8]GERBER P R.Electro-optical effects of a small-pitch blue-phase system[J].Molecular Crystals and Liquid Crystals，1985，116(3/4)：197-206.

[9]RAO L，YAN J，WU S T，et al.A large Kerr constant polymer-stabilized blue phase liquid crystal[J].Applied Physics Letters，2011，98(8)：081109-081112.

[10]ZHU Jiliang，NI Shuibin，SONG Yue，et al.Improved Kerr constant and response time of polymer-stabilized blue phase liquid crystal with a reactive diluent[J].Applied Physics Letters，2013，102(7)：071104(4).

[11]KIM M，KIM M S，KANG B G，et al.Wall-shaped electrodes for reducing the operation voltage of polymer-stabilized blue phase liquid crystal displays[J].Journal of Physics D：Applied Physics，2009，42(23)：235502(4).

[12]JIAO Meizi，LI Yan，WU S T.Low voltage and high transmittance blue-phase liquid crystal displays with corrugated electrodes[J].Applied Physics Letters，2010，96(1)：011102-011104.

[13]ZHU J L，NI S B，ZHONG E W，et al.Polymerization effect on electro-optic properties of blue phase liquid crystals[J].SID Symposium Digest of Technical Papers.2012，43(1)：106-108.

[14]LI W H，SUN X Y，LI Y R，et al.Polymer-stabilized blue phase liquid crystal of large Kerr constant based on multiple dopants[J].Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2015，30(4)：576-580.

[15]YAN Jin，CHENG Huichuan，GAUZE S，et al.Extended Kerr effect of polymer-stabilized blue-phase crystals[J].Applied Physics Letters.2010，96(7)：071105(3).

Effect of Driving Voltage of Blue-Phase Liquid Crystal Based on Doping Nano Polymer

GUAN Xinyu1，2，LU Jiangang1

(1.School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 2.Shanghai Huahong Jitong Smart System Co., Ltd., Shanghai 201206, China)

Polymer-stabilized blue-phase liquid crystal(PS-BPLC)has good application prospects in the field of display and photonic devices because of its fast response rate at the sub-millisecond level, optical isotropic status, and being free of alignment.In a polymer-stabilized blue-phase liquid crystal system with multiple-dopant materials, the driving voltage of PS-BPLC is affected by different ratios of nano polymer dopant.By improving the ratio, the driving voltage of PS-BPLC can be reduced to 62 V without destroying the good properties such as fast response rate, etc.

blue phase liquid crystal; driving voltage; polyaniline functionalized graphene(G-PANI); nano dopant

2016-06-22

管昕瑜(1979-)，男，工程師，碩士生，主要研究方向?yàn)橹悄墚a(chǎn)品圖形顯示，E-mail：guanxinyu@msn.com

2095-0020(2016)04-0207-04

TB 383

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