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        固化光強(qiáng)和單體濃度對(duì)聚合物穩(wěn)定液晶器件電光性能的影響*

        2019-04-04 00:45:30張家維張洋李明姚朝暉
        關(guān)鍵詞:閾值電壓錨定液晶

        張家維, 張洋, 李明, 姚朝暉

        (云南師范大學(xué) 太陽(yáng)能研究所,可再生能源材料先進(jìn)技術(shù)與制備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,云南 昆明 650500)

        1 引 言

        聚合物液晶復(fù)合薄膜是一種新型的電光材料,其工藝簡(jiǎn)單,在可調(diào)光衰減器、光開(kāi)關(guān)、智能窗等方面具有廣闊的市場(chǎng)[1-2].聚合物液晶復(fù)合薄膜主要由聚合物與液晶組成,根據(jù)聚合物和液晶各自所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù),可以將其分為聚合物分散液晶(Polymer Dispersed Liquid Crystal,PDLC)和聚合物穩(wěn)定液晶(Polymer Stabilized Liquid Crystal,PSLC).聚合物分散液晶中,聚合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大約在20%-80%,液晶微滴分散在聚合物基體中;而在聚合物穩(wěn)定液晶中,聚合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在10%以下,聚合物網(wǎng)絡(luò)存在于液晶連續(xù)相中[2-6].

        近些年,聚合物液晶復(fù)合薄膜受到人們的廣泛關(guān)注,很多研究人員從各方面對(duì)其進(jìn)行探索,取得了大量的成果[6-13].本文擬研究固化光強(qiáng)和單體濃度對(duì)PSLC器件的電光性能的影響,討論這兩種制備因素在制備過(guò)程中產(chǎn)生的作用.

        2 PSLC的工作原理

        液晶具有折射率各向異性和介電各向異性,施加電場(chǎng)可以改變液晶分子的取向,也就改變了液晶分子的折射率[14].本實(shí)驗(yàn)所用的液晶為負(fù)性液晶,不施加電場(chǎng)時(shí),受垂直取向?qū)拥淖饔?,液晶垂直于玻璃基板排列,薄膜的折射率比較均勻,入射光可以透射,器件處于透明態(tài).施加電場(chǎng)后,液晶會(huì)在電場(chǎng)作用下垂直于電場(chǎng)方向(即平行于基板)取向,但聚合物網(wǎng)絡(luò)會(huì)對(duì)其附近的液晶分子產(chǎn)生錨定作用,使這些液晶保持原來(lái)的取向,導(dǎo)致器件中液晶的取向出現(xiàn)混亂,薄膜的折射率不均勻,使入射光發(fā)生散射,器件處于模糊態(tài).撤去電場(chǎng),液晶又會(huì)在聚合物網(wǎng)絡(luò)的作用下恢復(fù)初始取向,折射率恢復(fù)均勻,器件回到透明態(tài).可見(jiàn),聚合物網(wǎng)絡(luò)對(duì)液晶起到一種穩(wěn)定取向的作用[1,5-6].

        3 實(shí) 驗(yàn)

        3.1 實(shí)驗(yàn)試劑

        液晶單體HCM009(江蘇和成顯示科技有限公司)、負(fù)性液晶HNG30400-200(江蘇和成顯示科技有限公司)、光引發(fā)劑651(安息香雙甲醚)、垂直取向劑聚酰亞胺(DL-4018)、紫外光固化膠.

        3.2 樣品的制備

        將清洗干凈的ITO玻璃放入U(xiǎn)V光清洗機(jī)中(玻璃導(dǎo)電面朝向燈管)照射20 min,照射結(jié)束后用勻膠機(jī)在ITO玻璃導(dǎo)電面上旋涂垂直取向劑,旋涂后的ITO玻璃放在熱臺(tái)上加熱(旋涂面朝上),經(jīng)歷90、105、230 ℃三個(gè)溫度后旋涂膜被烘干固化,形成聚酰亞胺取向膜.待ITO玻璃冷卻后,將兩片ITO玻璃涂有取向膜的表面相對(duì),用摻入5 μm間隔子的紫外光固化膠粘在一起,放在紫外燈下照射固化,得到液晶空盒.將配好的混合物(液晶、液晶單體、光引發(fā)劑)攪拌均勻后,在60 ℃的熱臺(tái)上,將混合物填入液晶空盒,待其擴(kuò)散均勻后,關(guān)閉熱臺(tái)電源.當(dāng)液晶盒冷卻至室溫后,將液晶盒在紫外光下固化,制得PSLC樣品.

        3.3 樣品的測(cè)試

        本實(shí)驗(yàn)采用海洋光譜儀(Maya2000 Pro)測(cè)試樣品在不同電壓下的透過(guò)率,用單片空白的ITO玻璃作為參比.

        4 結(jié)果與討論

        4.1 固化光強(qiáng)的影響

        通過(guò)調(diào)節(jié)固化系統(tǒng)的光圈開(kāi)度,可以精確控制固化光強(qiáng),光強(qiáng)隨著光圈開(kāi)度的增大而增大.分別在20%、25%、30%、35%四種光圈開(kāi)度下,經(jīng)紫外燈照射300 s得到四個(gè)PSLC樣品.圖1為各樣品在可見(jiàn)光555 nm下的透過(guò)率與所加電壓的關(guān)系曲線.由圖可知,光圈開(kāi)度為20%的PSLC樣品的閾值電壓(引起液晶分子指向矢發(fā)生改變所需的電壓[14])最低,即固化光強(qiáng)最小的樣品的閾值電壓最低,且隨著光圈開(kāi)度增加,固化光強(qiáng)變大,閾值電壓也隨之升高,光圈開(kāi)度為35%的樣品的閾值電壓最高.可見(jiàn),在一定光強(qiáng)范圍內(nèi),PSLC 的閾值電壓會(huì)隨著固化光強(qiáng)的增大而升高.

        圖1不同固化光強(qiáng)PSLC樣品的透過(guò)率與所加電壓的關(guān)系曲線

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

        閾值電壓受聚合物網(wǎng)絡(luò)影響很大,聚合物網(wǎng)絡(luò)越密集,它對(duì)液晶分子的錨定力就越強(qiáng),液晶分子在更強(qiáng)的電場(chǎng)下才能改變?nèi)∠?紫外光為光聚合反應(yīng)提供條件,光強(qiáng)過(guò)弱時(shí),光引發(fā)劑吸收的能量少,產(chǎn)生的自由基數(shù)目過(guò)少,光聚合速度慢[15],聚合不完全,會(huì)形成稀疏的聚合物網(wǎng)絡(luò),它對(duì)液晶分子的錨定作用比較弱,液晶分子的取向在較低的電場(chǎng)作用下就能發(fā)生改變,所以閾值電壓低;隨著光強(qiáng)增大,光引發(fā)劑接收的能量增多,產(chǎn)生的自由基變多,聚合速度增加,促進(jìn)單體充分聚合,易形成較密的聚合物網(wǎng)絡(luò),導(dǎo)致閾值電壓升高.

        表1不同固化光強(qiáng)PSLC樣品的最大、最小透過(guò)率及對(duì)比度

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

        光圈開(kāi)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,光圈開(kāi)度為30%的樣品的對(duì)比度最大,而光圈開(kāi)度為35%的樣品的對(duì)比度最小.固化光強(qiáng)在30%的光圈開(kāi)度時(shí)是比較合適的.

        4.2 單體濃度的影響

        將負(fù)性液晶、液晶單體和光引發(fā)劑651按表2的比例配成均勻的混合物,制備四個(gè)PSLC樣品.經(jīng)光譜儀測(cè)試,得到各樣品在可見(jiàn)光555 nm波長(zhǎng)下的透過(guò)率與所施加電壓的關(guān)系曲線(圖2).

        表2 PSLC樣品中各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

        圖2不同單體濃度PSLC樣品的透過(guò)率與所加電壓的關(guān)系曲線

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

        由圖2可知,總體上,PSLC的透過(guò)率隨施加電壓的增大而降低.樣品1和樣品2的透過(guò)率曲線出現(xiàn)了變形.樣品1的透過(guò)率在相當(dāng)大的電壓范圍內(nèi)沒(méi)有明顯變化,電壓超過(guò)30 V后,透過(guò)率才開(kāi)始下降;樣品2的透過(guò)率幾乎是在施加電壓后就開(kāi)始下降,經(jīng)過(guò)迅速下降后有一段上升,后面又緩慢下降;樣品3的透過(guò)率約在10 V后出現(xiàn)明顯下降,而樣品4的透過(guò)率約在15 V后才出現(xiàn)明顯下降.

        樣品1因?yàn)闆](méi)有單體,固化后沒(méi)有聚合物網(wǎng)絡(luò)形成,液晶沒(méi)有受到聚合物網(wǎng)絡(luò)的束縛,所以它的電光特性異于一般PSLC的電光特性.樣品2由于單體含量很少,固化后形成的聚合物網(wǎng)絡(luò)稀疏,對(duì)液晶的錨定力不強(qiáng),所以液晶分子的取向在較小的電場(chǎng)作用下就發(fā)生變化,又由于聚合物網(wǎng)絡(luò)的限制,導(dǎo)致液晶之間的取向出現(xiàn)混亂,折射率不一致,透過(guò)率下降迅速.隨著電壓升高,樣品2的透過(guò)率有一段上升,可能是因?yàn)椴糠忠壕г陔妶?chǎng)的作用下克服了聚合物網(wǎng)絡(luò)的錨定作用,致使液晶排列的混亂程度減小,折射率匹配程度有所提高,所以透過(guò)率上升.樣品4的閾值電壓明顯大于樣品3的閾值電壓,是因?yàn)殡S著單體比例的提高,樣品4的聚合物網(wǎng)絡(luò)變得致密,對(duì)液晶分子的錨定作用變強(qiáng),液晶分子在更大的電場(chǎng)作用下才能改變?nèi)∠?,所以閾值電壓升?

        各樣品的最大、最小透過(guò)率和對(duì)比度見(jiàn)表3.

        表3不同單體濃度PSLC樣品的最大、最小透過(guò)率及對(duì)比度比較

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

        樣品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

        綜合圖2和表3分析,四個(gè)樣品中樣品3的電光特性最好,單體濃度比較適合.樣品3在開(kāi)態(tài)(施加電壓)和關(guān)態(tài)(撤去電壓)下的實(shí)際效果如圖3.

        圖3 樣品3在開(kāi)、關(guān)態(tài)下的實(shí)物圖

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

        5 結(jié) 論

        采用PIPS法,在不同固化光強(qiáng)和單體濃度下制備了PSLC器件,發(fā)現(xiàn)固化光強(qiáng)和單體濃度均會(huì)影響樣品的電光特性.一定光強(qiáng)范圍內(nèi),光強(qiáng)較弱時(shí),光聚合速度慢,易造成不充分的聚合反應(yīng),形成的聚合物網(wǎng)絡(luò)稀疏,對(duì)液晶的錨定力弱,閾值電壓變低;光強(qiáng)增大,會(huì)使聚合物網(wǎng)絡(luò)變密,導(dǎo)致閾值電壓升高.單體濃度過(guò)低時(shí),形成的聚合物網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)固,電光特性曲線出現(xiàn)變形,單體濃度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致閾值電壓過(guò)高.

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