劉延國， 鞠 純， 王 璐， 袁 冬*， 胡小文， 李 楠， 周國富,,4

(1. 華南師范大學華南先進光電子研究院， 廣州 510006； 2. 華南師范大學-荷蘭埃因霍溫理工大學， 響應型材料與器件集成國際聯(lián)合實驗室， 廣州 510006； 3. 深圳市國華光電科技有限公司， 深圳 518110；4. 深圳市國華光電研究院， 深圳 518110)

染料摻雜的向列相液晶智能調(diào)光器件的開關態(tài)特性

劉延國1,2， 鞠 純1,2， 王 璐1,2， 袁 冬1,2*， 胡小文1,2， 李 楠3， 周國富1,2,3,4

(1. 華南師范大學華南先進光電子研究院， 廣州 510006； 2. 華南師范大學-荷蘭埃因霍溫理工大學， 響應型材料與器件集成國際聯(lián)合實驗室， 廣州 510006； 3. 深圳市國華光電科技有限公司， 深圳 518110；4. 深圳市國華光電研究院， 深圳 518110)

提出了一種染料摻雜的向列相液晶智能玻璃器件的制作過程并研究了它的開關態(tài)特性. 先在上下兩基板(ITO)上涂覆聚酰亞胺取向?qū)?，將液晶平鋪在下基板上，再用帶有密封膠框的上基板沿同一摩擦取向方向與下基板壓合，制得向列相液晶器件. 未加電場時，液晶在取向?qū)拥淖饔孟滦纬善叫信c基板的多疇排列狀態(tài)；施加電場后，液晶逐漸在電場作用轉(zhuǎn)向，由平行于基板的多疇排列狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪庇诨宓膯萎犈帕袪顟B(tài)，可見光在液晶器件中由散射轉(zhuǎn)為透射，由關態(tài)轉(zhuǎn)為開態(tài)，從而實現(xiàn)其明暗的切換. 染料質(zhì)量分數(shù)與驅(qū)動電壓共同影響器件的透射率. 器件開關態(tài)閾值電壓隨器件厚度的增大而增大，在染料液晶質(zhì)量分數(shù)為5%、盒厚為30 μm時，器件的閾值電壓為5 V、飽和電壓為15 V，此時智能玻璃的透射率最高，明暗切換特性越好.

液晶器件； 智能玻璃； 透射率； 開關態(tài)； 染料

智能玻璃的出現(xiàn)為人造玻璃的制造技術帶來了本質(zhì)性的革新，使它達到了前所未有的新高度[1]. 與晶體相比，玻璃是一種原子及分子排列不規(guī)則的堅硬固體，它的高透明度及制作的簡潔性使其成為制作窗戶和杯子的理想材料. 玻璃的高透明度能帶來很多便利，但同樣存在不足，比如不能營造良好的觀影環(huán)境和午休環(huán)境. 而能實現(xiàn)透明度可調(diào)的智能玻璃可從根本上解決這些問題：它能根據(jù)個人的喜好來實現(xiàn)明暗的切換，從而代替窗簾的作用，節(jié)約大量的布料資源；它的低電壓響應特性能夠極大地提高能源使用效率，減少商業(yè)建筑中的大量的電能消耗[2]；它可以用來作為屋頂、天窗、建筑玻璃等，有效地提高太陽能的利用率，例如，當陽光強烈時可以變暗以阻礙或反射太陽光從而減少用于空調(diào)的能源，當天氣陰暗時可以變透明以最大程度地接受太陽光.

智能玻璃的光學性能可以通過不同化學原料或形態(tài)學上的外部刺激來改變，其中包括使用電子或離子嵌入，或光、溫度及電場驅(qū)動，亦或使用電致變色材料[3-7]、懸浮粒子、聚合物分散液晶(PDLC)[8-11]等. JELLE等[12-13]基于聚苯胺、普魯士藍染料、三氧化鎢的電致變色智能窗有良好的透射率及較好的電響應特性. SUTKA等[14]將二氧化鈦納米線摻雜到聚二甲基硅氧烷中，利用電場來實現(xiàn)二氧化鈦納米線的平行電場排列，從而實現(xiàn)其光學性能的變化.

本文首次將染料摻雜到向列相液晶中，再用上下基板壓合的方式填充至液晶盒，制得液晶智能玻璃器件. 將染料摻雜到向列相液晶中能使得液晶在取向?qū)拥淖饔孟滦纬善叫杏诨宓亩喈犈帕袪顟B(tài)，利用電場驅(qū)動液晶由多疇轉(zhuǎn)向單疇排列狀態(tài)，使智能玻璃器件由散射轉(zhuǎn)為透射，由關態(tài)轉(zhuǎn)為開態(tài)，從而實現(xiàn)其明暗切換. 與聚合物分散液晶器件相比，本智能玻璃器件不需要在兩電極中間加入聚合物模塊，制作工藝更簡單方便. 與傳統(tǒng)智能玻璃相比，結(jié)構(gòu)簡便，制作簡單，材料便宜，明暗切換特性較好，在玻璃幕墻、智能車窗方面有著巨大的應用前景，也可以作為智能窗簾使用，即節(jié)能又環(huán)保.

1 研究方法

1.1 基于染料摻雜的液晶填充及器件封裝工藝

液晶填充及器件的封裝工藝見圖1. 所采用液晶為向列相液晶與染料液晶這2種主宿體混合的液晶，其中主體液晶為江西和成顯示科技股份有限公司的型號為HSG14000-000的向列相液晶，宿體液晶為染料液晶，由江西和成顯示科技股份有限公司提供，型號為HDP852000-000E303. 宿體液晶與主體液晶混合質(zhì)量比為5%、10%、15%和25%. 先在上下兩基板(ITO玻璃)上涂覆聚酰亞胺(PI)取向?qū)覽15]. 經(jīng)過摩擦取向后，在室溫下，再將液晶滴在下基板的聚酰亞胺層上，待液晶均勻鋪開后，用帶有密封膠框的上基板與下基板沿同一摩擦取向方向壓合. 液晶會在壓力的作用下沿各個方向分散，并逐漸填滿整個器件[16]. 器件的厚度由膠框的厚度控制.

圖1 液晶器件的制作流程

1.2 開關態(tài)性能測試

將染料摻雜液晶填充器件中及封裝壓合后，對器件進行光電測試. 圖2是用于測器件透射率的示意圖. 由全光譜光源發(fā)出的光(400～1 000 nm)經(jīng)過光導管傳輸，入射器件后，透射光被積分球收集，經(jīng)光纖傳導，至光譜儀處理計算，便可在計算機上得到相應的透射率. 改變?nèi)玖蠐诫s的濃度、外加電壓和器件厚度，探究染料摻雜液晶器件開關態(tài)時透射率的變化，并尋找最優(yōu)化的方案.

圖2 器件透射率測量的示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 液晶器件開態(tài)與關態(tài)效果分析

染料摻雜的向列相液晶器件開關態(tài)切換原理是可見光在液晶處于多疇排列狀態(tài)時會發(fā)生散射，而在液晶處于單疇排列狀態(tài)時會發(fā)生透射. 未加電場時，器件處于關態(tài),液晶在聚酰亞胺取向?qū)拥淖饔孟?，形成平行與基板的多疇排列狀態(tài)(圖3A)，此時可見光散射，液晶器件變得模糊，可視度降低，完全看不清器件下的文字(圖3B)；當外加電場時，器件處于開態(tài)，液晶在外加電場的作用下，形成垂直與基板的單疇排列狀態(tài)(圖4A)，此時可見光透射，液晶器件可視度提高，可清楚觀察到器件下的文字(圖4B).

圖3 多疇態(tài)液晶器件內(nèi)部液晶結(jié)構(gòu)及關態(tài)效果圖

Figure 3 Schematic of multidomain of the LC mixture and Schematic of LC device in off state

圖4 單疇態(tài)液晶器件內(nèi)部液晶結(jié)構(gòu)及開態(tài)效果圖

Figure 4 Schematic of monodomain of the LC mixture and Schematic of LC device in on state

2.2 器件透射率及開關態(tài)分析

液晶器件的透射率受器件厚度、外加電壓和染料摻雜質(zhì)量分數(shù)共同影響. 為了研究它們與透射率之間的關系，進行了多組對比實驗. 如染料摻雜質(zhì)量分數(shù)為10%、采用可見光波長為550 nm時，器件厚度h對器件透射率的影響(圖5)如下：(1) 器件的厚度對其開關態(tài)透射率之差影響較小，不會影響器件的開關態(tài)效果. 關態(tài)時器件透射率隨著器件厚度的增加而減??；施加電壓后器件轉(zhuǎn)為開態(tài)，所有器件的透射率上升，然而，隨著器件厚度的增加，器件的透射率逐漸減?。黄骷_關態(tài)透射率之差基本恒定不變，不隨厚度而改變，因而不會影響液晶器件的開關態(tài)效果. (2)器件開關狀態(tài)轉(zhuǎn)變的閾值電壓與關態(tài)時的飽和電壓隨器件厚度的增加而升高. 器件厚度雖然對器件開關態(tài)透射率影響較小，但卻影響器件開始狀態(tài)轉(zhuǎn)變的閾值電壓. 當器件厚度為30 μm時，明顯看到器件的開關態(tài)轉(zhuǎn)變在電壓小于5 V時已經(jīng)開始，而在13 V時達到飽和；器件厚度為40、55、70 μm時，狀態(tài)轉(zhuǎn)變的閾值電壓約為5 V，在15 V時達到飽和；器件厚度達到90 μm時，閾值電壓大于5 V，飽和電壓約為20 V. 由此可見，器件厚度越大，器件開關狀態(tài)轉(zhuǎn)變的閾值電壓與關態(tài)時的飽和電壓越高(圖6).

圖5 器件厚度與開關態(tài)透射率的關系

Figure 5 The relation between cell thickness and transmittance in the on state and off state

圖6 外加電壓與開關態(tài)透射率的關系

進一步研究了不同的染料質(zhì)量分數(shù)對器件光電性能的影響. 如器件厚度為90 μm、采用可見光波長為550 nm時，染料質(zhì)量分數(shù)對器件的影響有以下特點：

(1)器件開關態(tài)轉(zhuǎn)變的閾值電壓和飽和電壓與器件的染料摻雜質(zhì)量分數(shù)無關. 由圖7可知：當電壓在0～5 V時，器件透射率為10%，與玻璃基板的透射差不多，此時液晶在聚酰亞胺取向?qū)拥淖饔孟?，形成平行于基板的多疇排列狀態(tài)，可見光在多疇狀態(tài)的液晶下發(fā)生散射，器件呈關態(tài). 直至5 V左右，器件透射率才發(fā)生明顯變化，此時液晶開始在外加電場下發(fā)生轉(zhuǎn)向，逐漸由平行于基板的多疇排列狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪迸c基板單疇排列狀態(tài)，直至15 V左右，轉(zhuǎn)變徹底完成，可見光在單疇狀態(tài)的液晶下透射，器件呈開態(tài). 在染料摻雜質(zhì)量分數(shù)分別為5%、10%、15%時，器件開關態(tài)轉(zhuǎn)變的閾值電壓均約為5 V，飽和電壓均約為15 V.

圖7 電壓與開關態(tài)透射率的關系

(2)器件的開關態(tài)透射率之差隨著染料質(zhì)量分數(shù)的增加而減小. 從圖8可以看到：在關態(tài)時，摻雜有不同質(zhì)量分數(shù)染料的器件的透射率都在15%左右，表明染料對器件關態(tài)的性能影響不大；施加外加電壓后，器件轉(zhuǎn)為開態(tài)，此時所有器件的透射率上升，然而，隨著染料質(zhì)量分數(shù)的增加，器件的透射率逐漸降低，比如，染料質(zhì)量分數(shù)為5%時，透射率為75%，當染料質(zhì)量分數(shù)增加到25%時，器件的透射率降低到45% 左右. 由此可見，器件的開關態(tài)透射率隨著染料質(zhì)量分數(shù)的增加而減??；染料質(zhì)量分數(shù)在5%時，器件的開關態(tài)透射率最大，明暗切換特性越好.

圖8 染料質(zhì)量分數(shù)與開關態(tài)透射率的關系

Figure 8 The relation between cell dye concentration and transmittance

3 結(jié)論

本文提出了一種新型液晶智能玻璃器件的制備方法，并對其光電性能進行了研究.由實驗結(jié)果可知，器件厚度對器件透射率影響較小，器件開關態(tài)透射率之差基本恒定不變，不隨厚度而改變，但隨著染料質(zhì)量分數(shù)的增加而減小，最佳摻雜質(zhì)量分數(shù)為5%時，器件開關態(tài)透射率最大，明暗切換特性越好；器件具有低電壓響應特性,當閾值電壓為5 V時，器件透射率開始明顯變化，直到達到飽和電壓15 V時，關態(tài)至開態(tài)轉(zhuǎn)變徹底完成；器件厚度對閾值電壓與飽和電壓影響較為明顯，閾值電壓與飽和電壓隨器件厚度的增大而升高，因而在器件厚度為30 μm時，閾值電壓與飽和電壓最小.

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【中文責編：莊曉瓊 英文審校:肖菁】

Switching Characteristic of Smart Light-Tunable Device Based on Dye-Doped Nematic Liquid Crystal

LIU Yanguo1,2， JU Chun1,2， WANG Lu1,2， YUAN Dong1,2*， HU Xiaowen1,2, LI Nan3， 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)

A light-tunable device based on dye-doped nematic liquid crystal is fabricated, and its switching cha-racteristics are investigated. The cell is made by parallel arrangement of two glass with indium tin oxide (ITO) layer. Smart glass is made by filling the mixture of dye and nematic liquid crystal into cell. After applying an electric field, electric responsive nematic liquid crystal will align parallel to electric field. The rotation of liquid crystal molecule will give rise to the movement of the dye molecule. Meanwhile, distrubution of liquid crystal molecule will change from multidomain to monodomain, which induces smart glass state changing from scattering to transparency and achieving the function of dark-brightness switch. By varying the concentration of dye, driven voltage, the smart glass exhibits different performance. Threshold voltage of device rises while cell thickness goes up. Optimized performance will be obtained with the condition of 5% dye concentration, 30 μm cell thickness, when threshold vol-tage is 5V, saturation voltage is 15 V.

liquid crystal; smart windows; transmission; switching; dye

2016-10-26 《華南師范大學學報(自然科學版)》網(wǎng)址：http://journal.scnu.edu.cn/n

國家自然科學基金項目(51503070,51561135014,51405166)；廣東省創(chuàng)新科研團隊 (2013C102)；教育部“長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃”項目(IRT13064)；廣東省科技計劃項目(2015A050502005)

TN141.9

A

1000-5463(2017)01-0026-05

*通訊作者:袁冬，講師，Email:yuandong@scnu.edu.cn.