李 唯 吳 琴

（珠海興業(yè)新材料科技有限公司，廣東 珠海 519085）

0 引言

聚合物分散液晶（PDLC）調(diào)光膜（以下簡(jiǎn)稱“液晶調(diào)光膜”）是2 層導(dǎo)電膜間復(fù)合一層PDLC 的三明治結(jié)構(gòu)。PDLC 層由聚合物網(wǎng)絡(luò)及液晶構(gòu)成，液晶以微米尺寸的液滴均勻分散在固態(tài)有機(jī)聚合物基體內(nèi)[1]。2 層導(dǎo)電膜可引出電極接入電源，在PDLC 兩側(cè)形成電場(chǎng)。當(dāng)電極兩端未施加電壓時(shí)，液晶微滴指向失無(wú)序排列，有效折射率與基體的折射率不匹配，入射光線被強(qiáng)烈散射而呈不透明或半透明乳白態(tài)，具有較好的隱私遮蔽效果。當(dāng)施加電壓時(shí)，液晶分子指向失統(tǒng)一沿電場(chǎng)方向排列，其尋常光折射率與基體折射率相匹配，光線可透過(guò)基體而呈透明態(tài)。除去外電場(chǎng)后，液晶微粒在聚合物錨定力及基體彈性能的作用下又恢復(fù)到最初的散射狀態(tài)。

液晶調(diào)光膜的電控效果主要是膜片霧度與透光率隨輸入電壓的不同而發(fā)生變化。為保證液晶調(diào)光膜處于較好的運(yùn)行狀態(tài)，輸入的工作電壓應(yīng)使液晶調(diào)光膜的透光率達(dá)到飽和，同時(shí)又不能過(guò)高。作為一個(gè)類電容器結(jié)構(gòu)，過(guò)高的電壓會(huì)引起液晶調(diào)光膜擊穿或電極燒毀。該文主要結(jié)合PDLC 層飽和電壓及相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)液晶調(diào)光膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，并給出液晶調(diào)光膜工作電壓的建議區(qū)間。

1 液晶調(diào)光膜樣品結(jié)構(gòu)及制作工藝

1.1 液晶調(diào)光膜常見(jiàn)結(jié)構(gòu)及要求

液晶調(diào)光膜常見(jiàn)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。透明基材主要作為導(dǎo)電層的襯底，對(duì)功能層起保護(hù)作用，材質(zhì)可以是光學(xué)玻璃或光學(xué)塑料膜片[2]。目前實(shí)現(xiàn)卷對(duì)卷量產(chǎn)的廠家多采用厚度為50μm～188μm 的光學(xué)級(jí)PET 基材。導(dǎo)電層主要功能是接入電壓后在PDLC 兩側(cè)形成均勻電場(chǎng)，對(duì)導(dǎo)電層的主要要求是平整度高、耐彎折且方阻不高于200Ω/□。該導(dǎo)電層可通過(guò)在透明基材上磁控濺射ITO 鍍層、涂布納米銀線涂層、轉(zhuǎn)印銅網(wǎng)結(jié)構(gòu)等方式得到。PDLC層主要由聚合物網(wǎng)絡(luò)骨架與分散其中的液晶微滴構(gòu)成，視不同的量產(chǎn)工藝可能會(huì)添加一定比例的間隔子，厚度在5μm～30μm。一方面，PDLC 層作為2 層導(dǎo)電膜的黏結(jié)層，要求其與導(dǎo)電層具備較好的黏結(jié)力；另一方面，作為實(shí)現(xiàn)電控調(diào)光的主要功能層，為避免產(chǎn)品在加工、裝配等環(huán)節(jié)出現(xiàn)開(kāi)膜問(wèn)題，要求聚合物交聯(lián)固化后自身具備一定的剝離強(qiáng)度。

圖1 液晶調(diào)光膜結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 液晶調(diào)光膜制作工藝流程

導(dǎo)電膜的制作：通過(guò)磁控濺射、涂布、氣相沉積等方式在透明光學(xué)級(jí)基材上加工一層導(dǎo)電膜。主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)有膜層方阻、霧度、透光率及附著力。

“液晶”的混配：根據(jù)設(shè)計(jì)好的配方，將預(yù)聚物、單體、引發(fā)劑與液晶通過(guò)攪拌的方式分散均勻。對(duì)輥壓的涂布方式，還需要在液晶中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)3‰～8‰的間隔子來(lái)控制膜層厚度。主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)由黏度及均勻性。

涂布：將混配好的液晶均勻填充到2 層導(dǎo)電膜之間。主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)是厚度均勻性。

固化：根據(jù)配方體系情況，通過(guò)UV 光照或加熱使“液晶”中的膠水成分發(fā)生聚合并引發(fā)相分離，制得PDLC。主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)是固化光強(qiáng)、固化溫度、固化時(shí)間及在線透光率。

膜片電極制作：按照?qǐng)D紙要求，使用激光切割機(jī)將卷狀的液晶調(diào)光膜裁切為片狀，并分別在片膜的兩面半切出電極。用酒精將電極區(qū)域的PDLC 擦拭掉后，使用400 目網(wǎng)板印刷銀漿，烘干后黏貼銅箔，完成電極的制作。

片狀的液晶調(diào)光膜可通過(guò)自黏或夾膠的方式與玻璃結(jié)構(gòu)結(jié)合，接入電源控制系統(tǒng)后，即可以通過(guò)控制電壓的輸入對(duì)光通量進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)設(shè)備及材料

FP-PTR-2100I 真空卷對(duì)卷ITO 薄膜磁控濺射系統(tǒng)、RTS-5 四探針電阻儀、HDSF1600 高精密濕覆合設(shè)備、激光裁邊設(shè)備、激光半切設(shè)備、400 目網(wǎng)板、LS-116 透光率儀、數(shù)顯調(diào)壓電源、PF2010 多參數(shù)功率計(jì)、福祿克-17 萬(wàn)用表。

SKC 光學(xué)級(jí)PET 基材（188μm）、ITO 靶材（In2O3∶SnO2=90 ∶10wt.%）、P1～P5 型液晶（興業(yè)新材料）、GC-SM245H銀漿、寬度為5mm 的銅箔膠。

2.2 試驗(yàn)方法

調(diào)光膜的主要結(jié)構(gòu)是基材、導(dǎo)電層、PDLC 層型號(hào)及厚度，試驗(yàn)設(shè)計(jì)通過(guò)正交試驗(yàn)篩選出了部分組合方案。液晶調(diào)光膜試驗(yàn)樣品編號(hào)及對(duì)應(yīng)材料詳細(xì)信息見(jiàn)表1。

表1 液晶調(diào)光膜樣品信息

此次試驗(yàn)共選用了5款不同型號(hào)的PDLC配方（P1～P5），并添加了3 款不同粒徑的間隔粒子15μm/18μm/20μm；使用了3 款不同型號(hào)的基材（B1～B3）；使用磁控濺射設(shè)備在基材上制備了3 種不同方塊電阻的導(dǎo)電層（100/120/160Ω/□）。根據(jù)各液晶調(diào)光膜配方體系的固化條件要求對(duì)貼合后的膜片進(jìn)行固化。按照相同的加工工藝制作了不同長(zhǎng)度的液晶調(diào)光膜樣品，每個(gè)型號(hào)分別制作寬度為1.2m、長(zhǎng)度為1.5m/2m/2.5m/3m 的樣品，電極位于寬邊。并參照?qǐng)D2 所示方案搭建測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，輸入電壓均使用60V AC。

圖2 測(cè)試方案示意圖

3 結(jié)果與討論

3.1 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)如圖3 所示。1）所有樣品的測(cè)試數(shù)據(jù)均顯示出工作電壓由液晶調(diào)光膜電極端輸入后，在電極對(duì)邊（電極遠(yuǎn)端）均會(huì)出現(xiàn)衰減且衰減程度與樣品長(zhǎng)度成正比。2）如圖3（a）所示，T1 與T5、T12，T2 與T3 的PDLC 配方型號(hào)不同，其他條件相同，遠(yuǎn)端電壓衰減情況存在差異。3）如圖3（b）所示，T1 與T2，T4 與T5、T6 的PDLC 層厚度不同，其他條件相同。隨著PDLC 層厚度的降低，液晶調(diào)光膜電極遠(yuǎn)端電壓衰減加劇。作為類電容結(jié)構(gòu)中的介質(zhì)層，PDLC 層的厚度影響結(jié)構(gòu)電容，進(jìn)而影響液晶調(diào)光膜的電壓衰減。4）如圖3（c）所示，T8 與T9、T10 與T11導(dǎo)電膜電阻不同，其他條件相同。隨著導(dǎo)電膜電阻升高，液晶調(diào)光膜遠(yuǎn)端電壓衰減加劇，表明導(dǎo)電膜方阻對(duì)液晶調(diào)光膜電壓衰減情況影響較大。5）如圖3（d）所示，T7 與T9、T10 基材型號(hào)不同，其他條件相同。液晶調(diào)光膜電極遠(yuǎn)端電壓衰減情況一致，表明基材材質(zhì)對(duì)液晶調(diào)光膜電壓衰減無(wú)明顯影響。

圖3 液晶調(diào)光膜遠(yuǎn)端電壓Uout 衰減情況

3.2 PDLC 層飽和電壓Usat 的測(cè)算

將液晶調(diào)光膜透光率達(dá)到最大透光率的95%時(shí)的電壓定義為飽和電壓Usat，如公式（1）所示。

式中：TLsat代表飽和透光率；TLmax代表最大透光率。

可通過(guò)調(diào)壓電源與LS-116 透光率儀配合測(cè)試液晶調(diào)光膜的飽和電壓。

PDLC 的飽和電壓也可以通過(guò)公式（2）估算獲得。

式中：d代表PDLC 層厚度；a代表液晶微滴的半長(zhǎng)軸；L代表液晶微滴的長(zhǎng)徑比；?ε代表液晶介電各向異性；K代表液晶有效彈性常數(shù)；ρp、ρLC分別代表聚合物及液晶的電阻率[3-4]。

3.3 仿真分析

結(jié)合上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可將液晶調(diào)光膜拆解為如圖4 所示的模型[5]。其中，電阻R1、R2表征的是導(dǎo)電層的相關(guān)指標(biāo)，主要受導(dǎo)電層方塊電阻及液晶調(diào)光膜樣品長(zhǎng)度影響，導(dǎo)電膜方阻越大、液晶調(diào)光膜長(zhǎng)度越長(zhǎng)，R1、R2阻值越高。電容C1、電阻R3表征了聚合物分散液晶層的相關(guān)指標(biāo)，主要受聚合物分散液晶層厚度、絕緣電阻影響。

根據(jù)圖4 電路圖可得出液晶調(diào)光膜電極遠(yuǎn)端的電壓Uout與輸入電壓Uin的關(guān)系：

圖4 液晶調(diào)光膜等效電路圖

大尺寸的液晶調(diào)光膜正常工作的前提是所有區(qū)域的電壓均達(dá)到飽和電壓，同時(shí)為有效降低擊穿、打火等異常發(fā)生，所有區(qū)域電壓需要不高于飽和電壓的1.2倍。因此，液晶調(diào)光膜正常工作的電壓Uin需要滿足Usat≤Uout≤1.2×Usat，如公式（4）所示。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著聚合物分散液晶調(diào)光膜相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，其在常規(guī)隔斷場(chǎng)景的使用率逐年提升且其目前在新能源汽車(chē)天幕等新興市場(chǎng)中的應(yīng)用也日趨成熟。國(guó)內(nèi)外的新能源汽車(chē)市場(chǎng)已有數(shù)十款標(biāo)配/選配液晶調(diào)光膜天幕的汽車(chē)上市。相關(guān)投行預(yù)測(cè)，2025 年前后將迎來(lái)液晶調(diào)光膜市場(chǎng)規(guī)模的爆發(fā)式增長(zhǎng)[6]。結(jié)合應(yīng)用端的使用情況對(duì)液晶調(diào)光膜的光學(xué)、電學(xué)性能、溫度響應(yīng)性能進(jìn)行系統(tǒng)研究，不僅可以指導(dǎo)產(chǎn)品使用規(guī)范的建設(shè)，還可以倒推，為新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供方向。

生產(chǎn)廠家制定液晶調(diào)光膜的工作電壓時(shí)，除需要考慮PDLC 層的飽和電壓外，還需要著重考慮產(chǎn)品應(yīng)用尺寸、電極加工方式和導(dǎo)電層電阻情況。選擇合理的工作電壓，液晶調(diào)光膜可提供較好的視覺(jué)效果，同時(shí)也能最大程度地保障產(chǎn)品穩(wěn)定性及用電安全。